无线输电，了不起的一小步
2007-07-30 来源： 《环球》杂志
两百年的努力
当你坐在候机室里，笔记本电脑没有电了，公共插座都被别人占用，心情郁闷却没有办法。这时也许你会想：无线上网已经是再普通不过的事，为什么没有无线充电呢？
一说到电力，就会想到大大小小的电线，从“三峡-上海”500千伏直流高压线，到办公桌下面乱麻一般的那些电源线。非但科幻小说里常见的微波输电线路一点也没有实用化的意思，连手机和笔记本电脑这样的小东西也还是要拖着长长的电线和沉重的变压器，实在是太不方便了。
不只是你一个人在这么想。用无线方式输送电力，这种想法已经有近两百年历史，可以说它是与电磁学一起诞生的。
19世纪上半叶，电磁铁问世不久、电磁感应现象刚刚被发现，英国的一位牧师和自然哲学家尼古拉斯卡兰就设计了一个简单的无线输电装置：通过改变一个线圈的电流，使旁边另一个线圈的两端间产生火花。
麦克斯韦用他那组优美的方程建立了完整的电磁理论体系，促成了无线通信的诞生，也使人们对无线输电兴趣更浓。
电学的先驱、交流电之父特斯拉试图利用地球本身和大气电离层为导体来实现无线输电，为此在纽约建造了一个29米高的发射塔，但由于资金耗尽，他雄心勃勃的计划并未能实现。
此后，人们尝试过微波、激光等许多方法，但都未能付诸实用。近两百年间，电灯、电话、广播、电视和互联网给世界带来了一次又一次翻天覆地的变化，无线输电技术却似乎总在原地打转，无数人的奇思妙想和勇敢尝试并没有带来实质性突破。
2007年6月，美国麻省理工学院的物理学家马林索尔加斯克领导的一个小组宣布，他们成功地利用无线输电技术，点亮了一个离电源约2米远的60瓦电灯泡。
与理想目标相比，2米实在是微不足道，但在近两百年的努力中，这已经是令人惊喜的成绩。也许，在可预见的未来，近地轨道上通过微波给地球供电的太阳能电站仍将停留在构想和初期实验中，但在家庭、图书馆、机场和咖啡馆里给笔记本电脑和手机自动无线充电会成为现实。
障碍重重
电磁理论体系建立后不久，马可尼的发明就使地球在无线频段上史无前例地热闹起来，无线通信在随后的人类生活（包括两次世界大战）中扮演着极其重要的角色。但为什么用无线方式传输能量的技术没有跟上？其中的致命问题在于能量损耗。
电磁波以光速传播出去，弥漫在广大的空间中，这意味着能量的分散。随着距离的增加，电磁波强度会急剧衰减。
阳光也是一种电磁波，太阳每秒释放的能量足以毁灭很多个地球，不过地球离太阳有1.5亿公里，只接收到太阳能量中微不足道但恰到好处的一部分，刚好能维持一个温和的环境供生命栖居。
火星离太阳比地球再远一点，表面平均温度就低到零下几十摄氏度。至于太阳系外围的行星和矮行星，更是零下一两百摄氏度的冰冻世界，有的不比绝对零度高多少。许多遥远恒星比太阳更大更亮，但由于距离太远，它们释放的能量对地球几乎没有影响。这些事实意味着，用普通电磁辐射的方式来传输能量，是毫无效率可言的，绝大部分能量都会被浪费掉。
无线通信对此不太在意，相反地，要保证信号能覆盖到尽量大的范围，电磁波的这种发散是必不可少的。收音机、电视机或手机需要的是电磁波运载的信息，不是能量本身，只要信号不至于弱到无法还原，就不要紧。信号的衰减当然仍是个问题，但我们可以用中继的方式来补足：中继站接收到信号，放大后重新发射出去，就像接力一样，使信息能够持续传递到很远的地方。
对无线输电来说，能量传递的效率是最重要的。因此，方向性强、能量集中的激光与具有类似性质的微波束是值得考虑的选择。
基于激光或微波进行电力传输，这种设想在二、三十年前就出现了，它们在许多科幻作品中成为未来世界的标准配置，美国、日本等一些国家还进行了相关实验。
美国宇航局和能源部在20世纪70年代就考虑建设一个功率1000万千瓦的宇宙太阳能发电站，通过微波向地球输电，不过由于太不经济，计划并未实施。目前，美国宇航局正尝试从地球通过激光束给飞行器供电，初步取得了一些成果，不过离实用也非常遥远。
日本在微波输电方面取得了不少成绩，打算在此基础上试建宇宙电站，但这类工程造价目前仍过于高昂，其中原因之一还是发散问题——微波束和激光会随距离发散，为了使波束更紧密，需要非常巨大的天线。此外，为了保证传输效率，发射端和接收端中间不能有障碍物，这是微波和激光输电付诸实用的另一障碍。
利用共振原理
说起来，极小距离的无线输电已经有应用，比如感应式充电的电动牙刷。一家英国公司还推出一种感应充电器，手机、数码相机等无须接线，直接放在上面就可以充电。但如果距离不能拉远，这些产品的实用性终究是非常局限的。
麻省理工学院研究小组在约2米的距离上实现40%效率的无线输电，使我们至少看到了在家庭里省去一些电线的希望。他们所用方法的核心在于“共振”。
物体在特定频率下会比较容易振动，在其他频率下则不然，这些特定频率称为固有频率或共振频率。有着相同共振频率的物体，彼此交换能量的效率比较高。玩过乐器的人都对共振有直观认识。中学物理老师会给学生做这样的共振实验：两个相同的音叉，敲其中一个，另一个也会抖动发声。
将共振原理应用于电力传输并不是索尔加斯克等人的首创，特斯拉当年的无线输电构想，就是在地球和电离层之间建立约8赫兹的低频共振，利用环绕地球表面的电磁波传输能量。在地球和电离层构成的天地谐振腔里，电磁波能量损耗很少。特斯拉的实验中止后，并没有人继承这项研究，其中一个原因也许是在这种方式下电力公司没办法向用户收钱吧。
索尔加斯克的研究小组利用两个铜线圈为共振器，发射端以10兆赫的频率振动，产生的不是弥漫于各处的普通电磁波，而是一种“非辐射”的电磁场，它在两个线圈间形成一种无形的“能量通道”。只有以10兆赫频率共振的接收端才能接收到能量，未被接收的能量被发射器重新吸收。根据设计，这种非辐射电磁场的范围比较有限，不适用于长距离，但在离电源几米范围内的效果还可以。
频率10兆赫的电磁场不会对人体造成什么影响，因此这项技术用在家庭里不会有什么健康风险。索尔加斯克等人正在改进装置，以进一步提高能量输送效率、加大输送距离。也许在不久的将来，手机和笔记本电脑之类的“移动设备”将能摆脱电源线，彻底地“移动”起来。
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