蔡如鵬

不久的將來，至少在一定范圍內(nèi)，這是一項很有實際應(yīng)用價值的技術(shù)

你是否曾看著電腦后“剪不斷、理還亂”的電線而發(fā)愁？是否曾為忘記給手機(jī)充電，錯過重要的電話而懊惱？再忍耐一下吧，不久的將來，或許科學(xué)家們就能幫你解決這些麻煩。

6月8日，《科學(xué)》雜志刊登文章說，美國麻省理工學(xué)院的研究人員最近在無線傳輸電力方面取得了新進(jìn)展，他們用兩米外的一個電源，“隔地”點(diǎn)亮了一盞60瓦的燈泡。

這個研究小組希望他們的無線充電技術(shù)能夠在將來淘汰連接在電器與插座之間的電線。“這項發(fā)明可以把我們從電線中解放出來，在很大程度上可以理想地取代電池，至少在家庭和辦公室的范圍內(nèi)?！毙〗M成員之一阿里斯蒂迪斯?卡拉利斯說。

麻省理工學(xué)院物理學(xué)助理教授馬林?索利亞契奇領(lǐng)導(dǎo)著這個6人小組?！斑@些電量足可以運(yùn)行一臺普通的筆記本電腦。”他說，“這是一個重要的里程碑。這項技術(shù)很快就能實際應(yīng)用了。”

靈感來自“忘記充電”

索利亞契奇是在4年前開始這一研究的。同我們中的許多人一樣，索利亞契奇也經(jīng)常被忘記給手機(jī)充電所困擾。“有時我會忘記給手機(jī)充電，因此一旦手機(jī)電池耗盡手機(jī)就會嘀嘀作響把我吵醒，很是煩人。這個項目的靈感就來源于此?！彼骼麃喥跗嬉虼碎_始思考：如何能夠讓手機(jī)自己充電，于是他開始研究新的無線傳輸能量的方法。

事實上，有關(guān)無線傳輸能量的想法由來已久。早在19世紀(jì)30年代，邁克爾?法拉第就發(fā)現(xiàn)，周圍磁場的變化將在電線中產(chǎn)生電流。19世紀(jì)90年代，愛迪生光譜輻射能研究項目的一名助手尼古拉?特斯拉就申請了最初的一個專利。

但遺憾的是，這方面的研究延遲了一個世紀(jì)。最大的障礙是傳輸效率太低又存在危險。電磁輻射只適合傳送信息，并不適合傳送能量。因為輻射無定向性可言，能量將會浪費(fèi)在無用的空間中。有人設(shè)想使用定向電磁輻射，比如激光，但其可操作性不強(qiáng)且極具危險性。

另一個原因是因為當(dāng)時沒有太大的市場需求。不過，現(xiàn)在手機(jī)、筆記本電腦、隨身聽等小型無線設(shè)備的大量出現(xiàn)使大家對這一課題又產(chǎn)生了興趣。無線工程公司劍橋咨詢公司的蒂姆?福勒就說：“沒有人愿意老是不停地更換電池?！?/p>

其實，這次索利亞契奇等人運(yùn)用的原理很簡單，那就是共振作用。

物理學(xué)家早就知道，在兩個共振頻率相同的物體之間能有效地傳輸能量，而不同頻率物體之間的相互作用較弱。歌唱家演唱能將裝有不同水量瓶子中的一個震碎，而不影響其他瓶子就是這個道理。這也好比我們蕩秋千時，只需坐在上面讓下垂的雙腿同步擺動就能給秋千帶來動力一樣。

在燈泡實驗中，麻省理工學(xué)院的研究小組用兩個銅線圈作為電磁共振器。其中的一個線圈連接在電源上傳輸能量作為發(fā)射器，另一個線圈連著燈泡，作為能量接收器。通電后，發(fā)射器能夠以10兆赫茲的頻率振動，但它并不向外發(fā)射電磁波，而是在它的周圍形成一個強(qiáng)大的非輻射磁場。這個非輻射磁場可以協(xié)調(diào)與另一個線圈(即接收器)進(jìn)行能量傳輸。

這一原理并無特別之處，就如變壓器里應(yīng)用的電磁感應(yīng)現(xiàn)象一樣，同樣是發(fā)射線圈里電流的運(yùn)行使得接收線圈里感應(yīng)產(chǎn)生電流。差異在于新技術(shù)讓兩個線圈之間的距離要遠(yuǎn)很多，在這次的實驗里，距離達(dá)到了兩米開外。

研究小組成員之一阿里斯蒂迪斯?卡拉利斯說：“這就是奇特之處。能量轉(zhuǎn)移的效率可以達(dá)到45%，比普通的非共振磁感應(yīng)效率要高出100萬倍之多?！?/p>

廣闊的商業(yè)前景

索利亞契奇希望通過使用不同材料和改進(jìn)技術(shù)，把效率提高到70%至80%。他們相信，改進(jìn)后的設(shè)備將在3到5年內(nèi)為筆記本電腦、移動電話以及其他設(shè)備進(jìn)行無線充電。一旦實現(xiàn)這種無線電力傳輸，就意味著一些小電器可以永久地擺脫電線甚至電池的束縛。

新的無線充電技術(shù)提高了無線傳輸能量的效率，但同時也帶來了一個問題，高能量的微波在室內(nèi)傳播是否會影響人身體的健康？

去年，索利亞契奇在美國物理研究所論壇上對此做出了解釋。他說，在非輻射能量傳輸過程中，只有進(jìn)行充電的裝置才能接收到能量，而多余的沒被接受的能量則被發(fā)射器重新收回，因此不會對人體造成影響和損害。

根據(jù)索利亞契奇的設(shè)計，非輻射無線能量傳輸有距離的限制，接收器越小則這個距離越短。他計算出筆記本電腦大小的物體可以在幾米的范圍內(nèi)接受無線能量傳輸，“這樣在每個房間安裝一個發(fā)射源，就可以給整個住宅的筆記本電腦供電了?！?/p>

據(jù)悉，索利亞契奇的技術(shù)已經(jīng)引起了一些大型電子消費(fèi)品廠商的興趣，風(fēng)險投資家們也競相表示要向他的研究小組提供資金。這些研究人員目前正在考慮如何把這個熱門項目轉(zhuǎn)變?yōu)榭晒╀N售的商品。

無線充電技術(shù)近年一直是科研的一個金礦。香港城市大學(xué)電子工程學(xué)系許樹源教授在早幾年曾成功研制出“無線電池充電平臺”，可將數(shù)個電子產(chǎn)品放在一個充電平臺上，不需外接電線，透過低頻電磁場自動充電，充電時間與傳統(tǒng)充電器無異。但這一技術(shù)仍需要產(chǎn)品與充電器接觸，它主要利用的是近場電磁耦合原理。

從汽車到太空電站

關(guān)心無線能量傳輸技術(shù)的不僅僅是電器制造商，還包括不少汽車制造商。在1997年的美國底特律汽車工程師協(xié)會展覽會上，一位名叫羅納德?佩里斯的研究人員提出過較為具體的電動汽車“遠(yuǎn)程無線充電”方案。

在這個方案中，佩里斯設(shè)想利用一臺無線發(fā)射器將電能轉(zhuǎn)換成一種符合現(xiàn)行美國技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的特殊的微波束給移動中的電動汽車充電，汽車只要進(jìn)入發(fā)射器工作范圍，用安裝在車頂?shù)膶Ｓ媒邮仗炀€接收微波束即可。這樣，給車輛充電就像使用車載電話一樣方便。

佩里斯希望，這項技術(shù)可以首先應(yīng)用在市內(nèi)的公共電車上。發(fā)射器就安裝在公共汽車站附近，這樣行車途中就不必?fù)?dān)心沒電了。至于空中傳輸電力的潛在危險，佩里斯相信，這種傳輸方式對人體無害。他反而認(rèn)為，在行駛過程中攜帶幾十加侖揮發(fā)性液體燃料倒是更危險。

除了為電動汽車無線充電外，人們還設(shè)想過利用無線能量傳輸技術(shù)在太空建造永久性的太陽能電站。

1968年，美國人格拉澤最早提出在離地面36000公里的地球靜止軌道上，建造太陽能發(fā)電站的構(gòu)想。這個電站利用鋪設(shè)在巨大平板上的億萬片太陽電池，在太陽光照射下產(chǎn)生電流，將電流集中起來，轉(zhuǎn)換成無線電微波，發(fā)送給地面接收站。地面接收后，將微波恢復(fù)為直流電或交流電，送給用戶使用。

20世紀(jì)70年代末，全球發(fā)生石油危機(jī)，美國航宇局和能源部曾組織專家對這一設(shè)想進(jìn)行論證。專家們經(jīng)過論證后，提出一個名為“1979SPS基準(zhǔn)系統(tǒng)”的太空電站方案，該方案需要2500億美元的投資和18000人年的在軌工作量(相當(dāng)于600名航天員裝配工在太空工作30年)。

這個龐大的方案一出臺，就因耗資過大招來眾多的非議和責(zé)難。再加上，當(dāng)年里根政府對空間太陽能發(fā)電興趣不大，更愿意支持“星球大戰(zhàn)”計劃和自由號空間站。在一片反對聲中，美國航宇局不得不把這個方案束之高閣，美國關(guān)于空間太陽電站的研究暫告停頓。

但是，其他空間國家或組織，如俄羅斯、歐盟、日本等仍在進(jìn)行，特別是日本，計劃到2040年，建造一座重達(dá)2萬噸的太陽能電池板，發(fā)電能力為1000兆瓦。但缺點(diǎn)是電價將是現(xiàn)在核電售價的7倍。

事實上，從低頻波到宇宙射線，我們周圍到處存在著電磁波，它們都攜帶著或多或少的能量。在不少物理學(xué)家看來，人們要做的或許僅僅是找到合適的辦法接收和利用這些能量。