葛世恒

2010年，在美國拉斯維加斯舉行的國際消費電子展上，海爾公司與麻省理工學(xué)院（MIT）合作，推出利用無線電力傳輸?shù)摹盁o尾電視”，被眾多媒體驚呼為高新技術(shù)。如今，無線電力傳輸越來越多地影響著我們的生活。不需要物理上的連接就可以將電能傳輸給負(fù)載，這聽起來很科幻，然而其實早在100多年前，就有科學(xué)家在探索這項技術(shù)了。

特斯拉線圈發(fā)明，無線電力傳輸問世

1891年，科學(xué)家尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）發(fā)明了一種感應(yīng)線圈，它可以產(chǎn)生非常高的交流電壓。特斯拉就用它實現(xiàn)了電力的無線傳輸。

特斯拉線圈的原理很簡單，它的核心就是兩個變壓器。經(jīng)過特斯拉的特殊設(shè)計，它可以生產(chǎn)上億伏的電壓。而上億伏的電壓，已是自然界雷電的電壓水平。

有人說，美國著名科學(xué)家富蘭克林（Benjamin Franklin）“把雷電從天上抓到人間”，其實用這個說法來形容特斯拉似乎更合適。富蘭克林只是用風(fēng)箏收集到一部分靜電，而特斯拉曾制造出超過1億伏的電壓，非常接近自然界的雷電水平?，F(xiàn)在我們做雷電實驗的裝置，核心就是一個特斯拉線圈。

閃電實驗后，特斯拉又逐步認(rèn)識到他的線圈其實也是一個能量傳輸裝置：初級線圈與次級線圈是可以分開一定距離的。經(jīng)過反復(fù)試驗，1899年特斯拉在他的實驗室利用磁感應(yīng)原理，無線點亮了18米外的電燈泡。

電與磁的交響曲，無線電力傳輸?shù)谋举|(zhì)與途徑

無線電力傳輸，實質(zhì)上就是能量的傳輸。電力的本質(zhì)是電子的移動，無線電力傳輸能不能直接傳輸電子呢？這在目前的技術(shù)條件下是不大可行的。因為電子天生愛自由，離開導(dǎo)線后，它的運行軌跡就很難控制。并且，相對來說電子的體積和質(zhì)量都太大，向目標(biāo)無線發(fā)射時，發(fā)射源的電壓要極高才行——雷電轉(zhuǎn)移的就是電子，這個過程很暴烈。

現(xiàn)在，能利用的無線電力傳輸技術(shù)，核心原理是電磁感應(yīng)。電磁場沒有體積與質(zhì)量，與空氣等很多物質(zhì)幾乎沒有任何相互作用，卻具有一定的能量，可以不依靠導(dǎo)線而以光速傳播——貌似很有前途。

但電磁場也有一個問題，恰恰是因為它沒有質(zhì)量，也不帶電荷，它的能量很小，即傳輸功率很低。況且，雖然初級線圈與次級線圈是可以分開的，但電磁場的感應(yīng)強(qiáng)度會隨距離的增大而急劇減小——目前市場上的手機(jī)無線充電器，主要原理就是電磁感應(yīng)，功率都不大，且要求距離非常近才行。

電磁感應(yīng)還有一個神奇的兄弟——電磁波，低頻變化的電磁場平淡無奇，但當(dāng)這種變化達(dá)到一定程度時，電磁波就會猶如一股神秘的力量出現(xiàn)。太陽是一個巨大的磁體，但其磁場的主要影響也僅限于表面幾千米以內(nèi)，而其輻射的光（也是電磁波）則可以將其能量帶到億萬千米以外。月球距太陽約1.5億千米，但其白天的表面溫度高達(dá)120℃以上，就是因為太陽光的照射?？梢姡秒姶挪o線傳輸能量是完全可行的。

特斯拉壯志未酬，偉大夢想重啟風(fēng)帆

無線電力傳輸技術(shù)與一個偉大的夢想相連。特斯拉在無線點亮燈泡的次年（1900年），還產(chǎn)生了一個更大膽的設(shè)想：建造一個發(fā)射機(jī)作為“電源”，以地球高空的電離層作為“放電線圈”，再在其他位置建造一個“電力接收機(jī)”，就能實現(xiàn)電力的全球無線傳輸，極富想象力！

為驗證這個設(shè)想，他建造了“沃登克里佛塔”，雄心勃勃地要進(jìn)行“從美國到巴黎的無線電力傳輸”實驗，這個實驗的核心原理還是電磁感應(yīng)。當(dāng)時經(jīng)典電磁理論剛誕生不久，而且驗證電磁波存在的時間也不長。這個設(shè)想遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了那個時代人們的認(rèn)識水平和技術(shù)條件，投資人逐漸失去耐心，終止了資助。

據(jù)說，有人在理論上證明特斯拉的設(shè)想不是沒有可行性。但這個想法實在太冒險，若一招不慎，破壞了電離層，可能會給地球上的生物帶來滅頂之災(zāi)。不過，未嘗沒有替代方案。2012年，美國國家航天局開始資助一個名為“大型相控陣太陽能發(fā)電站衛(wèi)星（SPS-ALPHA）”的研究項目。它可以把在太空中產(chǎn)生的電力，利用電磁波無線傳輸?shù)降厍蛏鲜褂?，也可以無線供給其他航天器。太空中陽光的能量密度是地球表面上的8～10倍，并且不受黑夜和陰雨天的影響，是一種儲量巨大且清潔的能量來源。預(yù)計，SPS-ALPHA計劃最早于2025年升空，可以解決人類目前約1/3的能量需求，讓我們拭目以待這一夢想科技的實現(xiàn)。