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无线能量传输

发布时间:2017-11-27 21:05:13
小编并不知道外星人长什么样,外星人的科技是什么样。首先还是给大家讲个故事吧,童子军队员埃迪在祖母家的农场过暑假。一天晚上,一个外星飞船降落在苹果园里,埃迪和外星少...

无线能量传输

小编并不知道外星长什么样,外星人的科技是什么样。首先还是给大家讲个故事吧,童子军队员埃迪在祖母家的农场过暑假。一天晚上,一个外星飞船降落在苹果园里,埃迪和外星少年马蒂成了朋友。马蒂来自太阳系以外的马蒂尼星,为了成为一名科学探险者,他来到地球考察。马蒂的随身装备和飞船都靠“Z金属线”来补充能量,这种外星材料能在真空里释放出巨大的能量。可是马蒂一时疏忽,“Z金属线”被农场里的动物丢进小溪,遇水失去了能量。马蒂呼救后,马蒂尼星用无线能量传输为“Z金属线”补充了能量,这位外星少年才得以安全返航。

故事出自《苹果树下的宇宙飞船》,一部平淡的儿童科幻小说,却描绘了外星人骨灰级的无线能量传输技术。从太阳系以外的一颗星球,把能量定向传送给一艘停在地球上的宇宙飞船,功率大到能让飞船飞出太阳系,返回母星。这种技术绝对是阳春白雪,高大上。那地球人的技术呢?

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1899 年12月, 特斯拉在他位于科罗拉多斯普林斯的实验室进行实验。

我们从电动牙刷说起。电动牙刷的动力来自手柄里的充电电池,充电的时候把牙刷立在底座上就行,手柄上没有电源插孔,手柄和底座之间也没有电源连线。这就是最简单的无线能量传输,原理是法拉第电磁感应定律,底座和手柄里各有一个线圈。当底座线圈接通交流电时,线圈的垂直方向会产生交变磁场,磁场穿过手柄线圈,并在线圈里产生感生电动势,经过整流之后为手柄里的电池充电。同样的原理也用在许多无线充电的手机、平板电脑、智能手表里,而且还被用于植入人体的医疗器件——无线充电比开刀接电线可方便多了。

插一段历史,是谁最早利用电磁感应原理来无线传送能量的呢?提示一下,他的姓氏被用作磁场单位,而且一家制造电动跑车的公司就以他的姓氏命名。这位大牛就是尼古拉·特斯拉。早在19世纪末,他就开始研究利用电磁感应定律来无线传递能量。在一系列成功的无线传输演示后,他提出了一个不切实际的设想,要与正在尝试无线电报的马可尼竞争。他计划建造一座沃登克利弗塔(也被称为特斯拉塔),不但可以在纽约和伦敦之间传送信息,还能无线输送电能。1901年,他忽悠银行家约翰·摩根投资15万美元(这在当时可是一大笔钱)在长岛建塔。结果,钱花光了,这座57米高的塔还没开始运行,竞争对手马可尼就已经成功。摩根拒绝继续资助,特斯拉虎落平阳,无奈放弃,塔被拆除还债。有意思的是,特斯拉未能成功的实验居然还被后人用来牵强附会地解释通古斯大**

言归正传,这些例子都有一个共同点,两个线圈必须靠得很近,也就是说设备要紧贴充电器。有远一点儿的吗?当然有。2007年,麻省理工学院的教授马林·索尔贾希克验证了利用磁共振原理无线传输能量的可行性。他和合作者用充电线圈点亮了2米开外的60瓦灯泡。当时,他小声嘀咕了一句:“其实还是特斯拉的振荡变压器最先利用共振来无线传递能量。”这位教授随后创办了WiTricity公司,研发推广磁共振无线充电技术。这项技术可以做到用一个充电器给多个手机或平板电脑同时充电,手机的放置也可以随心所欲,横着、竖着甚至立着都没问题。磁共振无线充电还有一个重要用途——给电动或者混合动力的汽车充电。想象一下,您开着电动轿车回家,进车库停好,埋在地下的线圈就自动和车底盘上的线圈进行识别,然后开始充电,根本不用费事插电线,给邻居演示一下,肯定能引起羡慕嫉妒恨。高通公司成功进行了真车实验。一家叫Plugless的公司早已经开售汽车无线充电配件,不过这家公司并没有透露具体用到什么技术。新西兰奥克兰大学的教授格兰特·乔维奇和约翰·鲍埃斯提出了更科幻的动态充电设想:在公路下面埋设很多充电线圈,这样车就可以边走边充电。既然随时在充电,那么车上的电池就不需要很大,节省了空间和重量。不过,想想看,整条公路都要挖坑埋线圈,肯定需要大笔砸钱才行。

这些例子都是利用几十、几百千赫(kHz)或几兆赫(MHz)的电磁波来传送能量,距离只有几米,功率最多几千瓦,小打小闹。整个电磁波谱那么宽,用更高频率行吗?行呀。用高频率的微波和激光还有一个很大的好处,那就是方向性好,传播距离远。在前面说到的应用里,其实都用到了屏蔽材料,把低频的电磁场限制在线圈附近,尽量减少对外部的辐射,既避免损耗又保证使用者的身体健康。而微波和激光就不需要这样的屏蔽。下面就详细说说地球人真正像点儿样的无线能量传输技术。

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先说微波。1941年,一部短篇科幻小说《推理》问世,作者是科幻史上的三巨头之一艾萨克·阿西莫夫。故事的场景是一个在太空中收集太阳能的空间站,这座空间站把收集到的能量用微波传送到周围的行星。小说问世大概30年后,美国航天工程师彼得·格雷泽提出了太阳能发电卫星的概念卫星的太阳能电池板收集能量,然后用微波把能量传送回地面。这样做的好处是太空中的太阳光更强,而且可以24小时不间断。问题来了,在这位工程师的设想中,卫星上发射微波的天线要1平方千米那么大,把这么大的东西送上太空并不容易,而且地面站需要更大尺寸的微波接收天线。20世纪70年代末,美国能源部和美国航空航天局评估了这个项目,结论是未知因素太多,无法准确判断。20世纪90年代,美国航空航天局重新评估它,结果还是一样,要等到航天发射变得很便宜时才有可能。日本科学家并不这么想,2014年,日本宇航研究开发机构(JAXA)的教授司理佐佐木撰文曝料,日本要在25年内把太阳能卫星变成现实,计划在东京湾建造一个拥有50亿台微波天线的、3千米长的人工岛,用来接收卫星发射的微波束。为什么日本如此急切?第一,日本没有多少石油资源;第二,日本缺少可以利用风能、太阳能的辽阔土地;第三,福岛核电站的事故让人对核电很害怕。他们并没有纸上谈兵,2015年3月,三菱重工成功进行了一次功率10千瓦的微波能量传输实验,传送距离500米。原文地址:www.ufo-1.cn/article/201606/1133.html

发射太空飞船是利用微波能量传输的另一设想。位于科罗拉多州的初创公司“逃逸动力学”(Escape Dynamics)专门研究利用微波为飞行器无线传输能量。他们的目标是实现以微波辐射为动力的太空飞行。太空飞船在起飞和飞行过程中受到地面微波站的辐射,从而获得动力,无须使用传统的化学燃料。太空飞船使用热推进器,以氢作为工作流体氢以液体的形式储藏于一个低温罐内,里面出来的氢气经由涡轮泵加压到150个标准大气压,然后进入热交换器;热交换器吸收微波能量,把氢气加热到2000 ℃,最后从喷管喷出,从而推进飞船飞行。顺便提一句,热交换推进技术并不是什么新发明,有兴趣的读者可以上网搜搜20世纪60年代的火箭飞行器核引擎(NERVA)。

他们设想的发射情节是这样的:飞船直立在发射台上,旁边的起始段微波站开始照射飞船,提供动力,使飞船起飞。飞行起始段结束后,位于200千米外的助推段微波站接力,继续为飞船提供动力,将其送入地球轨道。释放诸如卫星之类的载荷后,飞船滑翔返回,最后水平着陆。返回大气层时摩擦产生的高热可以继续为热交换器提供能量,从而产生飞行动力,这样有利于控制滑翔姿态,使之安全着陆。

需要什么频率的微波呢?研究人员把微波频率初步定在92千兆赫(GHz)。微波功率要多大呢?这取决**船的重量。在初步设计中,飞船加上载荷大约1吨重,还没一辆家用轿车重,所需的微波功率大概是400兆瓦。假设微波源的效率是50%,那么电网就要提供多1倍的电力。在电网和微波站之间还需要一个储藏电力的中转站,发射的时候,中转站在飞船起飞阶段,大概5分钟提供65兆瓦时的能量。这时候如果鸟群不幸飞过微波束,不知道会不会瞬间变成“炸鸡”。公司的科学家计划使用发射功率为500千瓦的微波源,要达到400兆瓦的微波功率,就需要800个微波源。即使几个微波源共用一个天线,那也需要上百个微波天线来组成相位阵列,可比小说《三体》里的红岸天线壮观多了。

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N E R V A 的结构图

讲了半天,这些都是凌云壮志。现在进展到哪里了?2015年夏天,科学家验证了比冲达到500秒的热交换引擎,高比冲意味着推进系统的高效率。另外,他们成功演示了用微波为小型无人机提供10千瓦至20千瓦的飞行动力。无人机自由地飞来飞去,微波天线可以自动跟踪。他们还研制出了100千瓦的微波源,准备进行千米距离上的能量传输实验。

在太阳能发电卫星和发射太空飞船的例子里,可以用激光代替微波。激光的方向性更好,能量密度也更大。具体说呢,就是把激光器作为发射端,光伏电池板作为接收端。这不是和太阳能发电很像吗?是的,不过激光的能量密度要大得多,而且可以发射到指定位置上,即使夜晚也可以用。利用激光传输能量的设想早在20世纪70年代就有了,如今,人们已经梦想了各种应用,涵盖陆、海、空、太空。太空中,卫星、飞船、空间站或是月球车都可以用激光束来充电,光束来自地球或是太阳能发电卫星。同样,激光还可以为无人机提供动力,甚至给海底的潜水艇或传感器充电。陆地上,在没法铺设输电线路的特殊地区或是危险的战场,小到士兵身上的电池,大到前线基地,都能接收地面或太空中激光器提供的能量——越说越像让我们高山仰止的外星科技了。

现实还处于初始阶段。2003年,在美国航空航天局马歇尔太空飞行中心的大楼里,人们成功试飞了一个小型飞行器,首次实现了纯粹以激光束为动力的飞行。实验中,工作人员用功率1千瓦的红外波段激光照射一架小飞机。飞机底部的光伏电池板把红外线转换成电能,为一台6瓦的电动机供电,给飞机提供飞行动力。美国航空航天局为了推动无线能量传输的发展,举办了一系列能量束挑战赛(Power BeamChallenge),要求参赛者设计一个能够攀爬绳索的机械装置,动力来自地面的无线能量传输。绳索有1千米长,由一架直升机悬吊在空中。这其实是在模拟太空电梯。2009年,激光动力(LaserMotive)公司胜出,获得了90万美元的奖金。现在,这家公司正致力无人机的激光能量传输技术。

回到本文的标题。和开着飞碟四处溜达的外星人相比,地球人还在蹒跚学步。或者换句话说,我们还处在玩模型飞机的水平。千里之行,始于足下,2015年7月,美国航空航天局把微波推进绘入了未来推进技术的蓝图。如果能够成功,无线能量传输会给太空探索带来很多好处:首先,太空飞船可以反复使用,费用远低于传统的多级化学火箭;其次,因为无须点火,所以发射起来更安全;最后一点,无论是采用激光还是微波,能量都来自电力,不需要任何燃烧,发射与飞行不产生温室气体,低碳环保。

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首次纯粹以激光束为动力的飞行实验与飞行器

延伸阅读

在《星球大战》中,光剑具有举足轻重的地位。光剑分为开启和未开启两种状态,在不同状态下,光剑的外形也不同。在光剑被启动后,光剑内部的能量会释放并形成一道约1米长的等离子光束。使用光剑时,剑身还会发出嗡嗡声,这是能量磁场起作用的信号。在使用者手中,光剑几乎无敌。一把光剑可以拥有砍穿防爆门的能量。如果再加上原力的力量,使用者可以预测来袭的能量束,甚至再将它反弹回袭击者身上。

美国物理学家、科学畅销书作者加来道雄曾在《不可能的物理学》中介绍了如何制作光剑,他的构想更接近《星球大战》中光剑的原型。不过,加来道雄的构想还没有被制造出来。

围绕光剑,也有不少问题仍然没有得到解答。比如,如果光剑的剑身是由等离子能量发射的光束所形成的,那怎么保证光束形成之后只有1米左右的长度,而不是像一般的能量光束那样一直向前?此外,有物理学家做过计算,如果光剑的剑身是由等离子构成的,那么它在使用过程中的温度可以达到7000℃,如此高的温度怎么保证使用者的安全?

原标题:无线能量传输

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