這才是無(wú)線(xiàn)充電的終極目標

在移動(dòng)電力方面，電線(xiàn)有很多用途，但它們也有缺點(diǎn)。畢竟，誰(shuí)都厭倦插入和拔出手機和其他可充電小玩意兒，因為這是一個(gè)麻煩。

電線(xiàn)也對電力公司提出了挑戰：這些公司必須努力將施加在傳輸電纜上的電壓提高到非常高的值，以避免在此過(guò)程中消耗大部分電力。在為電動(dòng)火車(chē)和有軌電車(chē)等公共交通工具供電時(shí)，電線(xiàn)需要與滾動(dòng)或 滑動(dòng)觸點(diǎn)串聯(lián)使用，這些觸點(diǎn)維護起來(lái)很麻煩，甚至還會(huì )產(chǎn)生火花，并且在某些情況下會(huì )產(chǎn)生有問(wèn)題的污染物。

許多人都渴望解決這些問(wèn)題——看看過(guò)去十年無(wú)線(xiàn)充電的廣泛采用——主要用于便攜式消費電子產(chǎn)品， 也用于車(chē)輛。雖然無(wú)線(xiàn)充電器使您不必反復連接和斷開(kāi)電纜，但以這種方式輸送能量的距離非常短。事實(shí)上，當間距只有幾厘米，更不用說(shuō)幾米時(shí)，很難為設備充電或供電。真的沒(méi)有實(shí)用的方法可以在沒(méi)有電線(xiàn)的情況下將電力傳輸到更遠的距離嗎？

對一些人來(lái)說(shuō)，無(wú)線(xiàn)電力傳輸的整個(gè)概念讓人聯(lián)想到尼古拉特斯拉的形象，高壓線(xiàn)圈噴出微型閃電。這不會(huì )是一個(gè)愚蠢的聯(lián)系。特斯拉確實(shí)追求過(guò)以某種方式利用地面和大氣作為長(cháng)距離電力傳輸管道的想法，但這個(gè)計劃沒(méi)有成功。但他的夢(mèng)想是在沒(méi)有電線(xiàn)的情況下遠距離傳輸電力。

與特斯拉同時(shí)代的古列爾莫·馬可尼（Guglielmo Marconi）想出了如何使用“赫茲波”或我們今天所說(shuō)的電磁波來(lái)遠距離發(fā)送信號。這一進(jìn)步帶來(lái)了使用相同類(lèi)型的波將能量從一個(gè)地方傳送到另一個(gè)地方的可能性。畢竟，儲存在木材、煤炭、石油和天然氣中的所有能量最初都是這樣到達這里的：它在數百萬(wàn)年前以電磁波（太陽(yáng)光）的形式在太空中傳播了 1.5 億公里。

今天可以利用相同的基本物理學(xué)來(lái)代替電線(xiàn)嗎？本文作者和其位于華盛頓特區美國海軍研究實(shí)驗室的同事都這認為是可行的，以下是其中的一些原因。

在過(guò)去的一個(gè)世紀中，人們曾多次嘗試使用電磁波作為無(wú)線(xiàn)電力傳輸的手段，但這些嘗試產(chǎn)生了好壞參半的結果。無(wú)線(xiàn)電力傳輸研究的黃金年也許是 1975 年，當時(shí)為 雷神公司工作的威廉·布朗和美國宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗室的理查德·迪金森（現已退休）在實(shí)驗室內使用微波將電力傳輸的最終效率提升到超過(guò) 50% 。 在另一次演示中，他們能夠在大約一英里（1.6 公里）的距離內提供超過(guò) 30 千瓦的電力。

這些演示是美國宇航局和美國能源部探索太陽(yáng)能衛星可行性的 更大運動(dòng)的一部分 ，有人提議，有朝一日，太陽(yáng)能衛星將在太空中收集陽(yáng)光，并將能量以微波的形式傳送到地球。但由于這一研究方向在很大程度上是由 1970 年代的能源危機推動(dòng)的，因此在接下來(lái)的幾十年里，對太陽(yáng)能衛星的興趣減弱了，至少在美國是這樣。

盡管研究人員定期重新審視太陽(yáng)能衛星的想法，但那些進(jìn)行功率****實(shí)際演示的人一直在努力超過(guò) 1975 年達到的效率、距離和功率水平的高水位線(xiàn)。這種情況最近開(kāi)始發(fā)生變化，因為傳輸和接收技術(shù)取得了各種最新進(jìn)展。

在 2019 年馬里蘭州貝塞斯達海軍水面戰中心的一次演示中，這道激光束在 325 米的距離內安全地傳輸了 400 瓦的功率。

大多數早期****功率的努力都局限于微波頻率，這是當今充滿(mǎn) Wi-Fi、藍牙和各種其他無(wú)線(xiàn)信號的電磁頻譜的同一部分。這一選擇的部分原因是高效的微波****和接收設備很容易獲得這一簡(jiǎn)單事實(shí)。

但是，在更高頻率下運行的設備的效率和可用性都有所提高。由于大氣對電磁頻譜某些部分內能量的有效傳輸施加的限制，研究人員將重點(diǎn)放在微波、毫米波和光學(xué)頻率上。雖然微波頻率在效率方面略有優(yōu)勢，但它們需要更大的天線(xiàn)。因此，對于許多應用，毫米波或光鏈路效果更好。

對于使用微波和毫米波的系統，****通常采用固態(tài)電子放大器和相控陣、拋物線(xiàn)或超材料天線(xiàn)。微波或毫米波的接收器使用稱(chēng)為整流天線(xiàn)（rectennas）的元件陣列。這個(gè)詞，是整流器（rectifier）和天線(xiàn)（antenna）的組合，反映了每個(gè)元件如何將電磁波轉換為直流電。

任何為光功率傳輸而設計的系統都可能使用激光器——具有嚴格限制光束的激光器，例如光纖激光器。用于光功率傳輸的接收器是專(zhuān)門(mén)的光伏電池，旨在以非常高的效率將單波長(cháng)的光轉換為電能。事實(shí)上，效率可以超過(guò) 70%，是典型太陽(yáng)能電池的兩倍多。

在美國海軍研究實(shí)驗室，我們在過(guò)去 15 年的大部分時(shí)間里都在研究不同的功率束選項并研究潛在應用。其中包括延長(cháng)無(wú)人機的飛行時(shí)間和有效載荷能力，在黑暗中為軌道上的衛星提供動(dòng)力，為在月球永久陰影區域運行的漫游車(chē)提供動(dòng)力，從太空向地球表面發(fā)送能量，以及為戰場(chǎng)上的部隊分配能量。

你可能會(huì )認為，一個(gè)以窄光束通過(guò)空氣發(fā)送大量能量的設備聽(tīng)起來(lái)像是死亡射線(xiàn)。這觸及了一個(gè)關(guān)鍵考慮的核心：功率密度。不同的功率密度在技術(shù)上是可行的，從低到無(wú)用到高到危險。但也有可能在這兩個(gè)極端之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)。還有一些巧妙的方法可以讓高功率密度的光束安全使用。這正是作者所在的一個(gè)團隊在 2019 年所做的，從那時(shí)起他們成功地擴展了這項工作。

作者的行業(yè)合作伙伴之一， PowerLight Technologies，前身為 LaserMotive，十多年來(lái)一直在開(kāi)發(fā)基于激光的功率光束系統。這家公司以贏(yíng)得2009 年NASA 動(dòng)力****挑戰而聞名，不僅在為機器人系繩攀爬器、四軸飛行器和固定翼無(wú)人機提供動(dòng)力方面取得了成功，而且還深入研究了用激光安全****動(dòng)力的挑戰。這很關(guān)鍵，因為多年來(lái)，許多研究小組已經(jīng)展示了激光能量束——包括海軍研究實(shí)驗室、近代大學(xué)、北京理工大學(xué)、科羅拉多大學(xué)博爾德分校、JAXA的團隊，空中客車(chē)公司和其他公司——但只有少數人以在每一種可能的情況下都真正安全的方式實(shí)現了這一目標。

多年來(lái)，使用微波 [藍色] 或激光 [紅色] 進(jìn)行了許多功率****演示，峰值功率記錄已在 1975 年創(chuàng )下 [歷史]。2021 年，作者和他的同事在此類(lèi)實(shí)驗中獲得的峰值功率水平分別獲得了第二和第三名，他們使用小得多的天線(xiàn)在超過(guò)一公里的距離上****了超過(guò)一千瓦的信號。

在作者團隊的努力之前，最引人注目的安全激光功率束演示可能是 2012 年Lighthouse Dev公司。為了強調該系統的安全性，BBC 科學(xué)節目“ Bang Goes the Theory ”的主持人全神貫注于在馬里蘭大學(xué)的建筑物之間發(fā)送的能量束。這個(gè)特殊的演示利用了這樣一個(gè)事實(shí)，即某些紅外波長(cháng)對您的眼睛來(lái)說(shuō)比紅外光譜的其他部分安全一個(gè)數量級。

該策略適用于相對低功耗的系統。但是，當您將級別推高時(shí)，您很快就會(huì )達到無(wú)論使用何種波長(cháng)都會(huì )引起安全問(wèn)題的功率密度。然后怎樣呢？這就是作者展示的系統與眾不同的地方。

在超過(guò) 300 米的距離內發(fā)送超過(guò) 400 瓦的功率時(shí)，光束被包含在一個(gè)虛擬外殼內，該外殼可以感應到物體撞擊它并觸發(fā)設備在造成任何損壞之前切斷主光束的電源。其他測試表明傳輸距離如何超過(guò)一公里。

仔細測試（沒(méi)有使用 BBC 科學(xué)節目主持人）驗證了此功能的功能令其滿(mǎn)意，該功能也通過(guò)了海軍激光安全審查委員會(huì )的審核。在作者的演示過(guò)程中，該系統進(jìn)一步證明了自己，有幾次，鳥(niǎo)兒飛向光束，將其關(guān)閉——但只是暫時(shí)的。您會(huì )看到，系統會(huì )監控光束所占據的體積及其周?chē)h(huán)境，當路徑再次暢通時(shí)，電源鏈路會(huì )自動(dòng)重新建立自身。將其視為車(chē)庫門(mén)安全傳感器的更復雜版本，其中防護梁的中斷會(huì )觸發(fā)驅動(dòng)門(mén)關(guān)閉的電機。

在作者的演示中，出席的觀(guān)察者能夠在****和接收器之間走動(dòng)，而無(wú)需佩戴激光安全眼鏡或采取任何其他預防措施。這是因為，除了將系統設計成可以自動(dòng)關(guān)閉之外，作者和他的同事還仔細考慮了接收器反射的可能影響，或者沿著(zhù)光束路徑懸浮在空氣中的粒子的光散射可能產(chǎn)生的影響。