這才是無線充電的終極目標(biāo)

在移動(dòng)電力方面，電線有很多用途，但它們也有缺點(diǎn)。畢竟，誰都厭倦插入和拔出手機(jī)和其他可充電小玩意兒，因?yàn)檫@是一個(gè)麻煩。

電線也對(duì)電力公司提出了挑戰(zhàn)：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，以避免在此過程中消耗大部分電力。在為電動(dòng)火車和有軌電車等公共交通工具供電時(shí)，電線需要與滾動(dòng)或 滑動(dòng)觸點(diǎn)串聯(lián)使用，這些觸點(diǎn)維護(hù)起來很麻煩，甚至還會(huì)產(chǎn)生火花，并且在某些情況下會(huì)產(chǎn)生有問題的污染物。

許多人都渴望解決這些問題——看看過去十年無線充電的廣泛采用——主要用于便攜式消費(fèi)電子產(chǎn)品， 也用于車輛。雖然無線充電器使您不必反復(fù)連接和斷開電纜，但以這種方式輸送能量的距離非常短。事實(shí)上，當(dāng)間距只有幾厘米，更不用說幾米時(shí)，很難為設(shè)備充電或供電。真的沒有實(shí)用的方法可以在沒有電線的情況下將電力傳輸?shù)礁h(yuǎn)的距離嗎？

對(duì)一些人來說，無線電力傳輸?shù)恼麄€(gè)概念讓人聯(lián)想到尼古拉特斯拉的形象，高壓線圈噴出微型閃電。這不會(huì)是一個(gè)愚蠢的聯(lián)系。特斯拉確實(shí)追求過以某種方式利用地面和大氣作為長(zhǎng)距離電力傳輸管道的想法，但這個(gè)計(jì)劃沒有成功。但他的夢(mèng)想是在沒有電線的情況下遠(yuǎn)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”或我們今天所說的電磁波來遠(yuǎn)距離發(fā)送信號(hào)。這一進(jìn)步帶來了使用相同類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(chǔ)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(dá)這里的：它在數(shù)百萬年前以電磁波（太陽光）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)來代替電線嗎？本文作者和其位于華盛頓特區(qū)美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室的同事都這認(rèn)為是可行的，以下是其中的一些原因。

在過去的一個(gè)世紀(jì)中，人們?cè)啻螄L試使用電磁波作為無線電力傳輸?shù)氖侄?，但這些嘗試產(chǎn)生了好壞參半的結(jié)果。無線電力傳輸研究的黃金年也許是 1975 年，當(dāng)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(yàn)室的理查德·迪金森（現(xiàn)已退休）在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用微波將電力傳輸?shù)淖罱K效率提升到超過 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(nèi)提供超過 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能衛(wèi)星可行性的 更大運(yùn)動(dòng)的一部分 ，有人提議，有朝一日，太陽能衛(wèi)星將在太空中收集陽光，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(jī)推動(dòng)的，因此在接下來的幾十年里，對(duì)太陽能衛(wèi)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能衛(wèi)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 1975 年達(dá)到的效率、距離和功率水平的高水位線。這種情況最近開始發(fā)生變化，因?yàn)閭鬏敽徒邮占夹g(shù)取得了各種最新進(jìn)展。

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

大多數(shù)早期****功率的努力都局限于微波頻率，這是當(dāng)今充滿 Wi-Fi、藍(lán)牙和各種其他無線信號(hào)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(shè)備很容易獲得這一簡(jiǎn)單事實(shí)。

但是，在更高頻率下運(yùn)行的設(shè)備的效率和可用性都有所提高。由于大氣對(duì)電磁頻譜某些部分內(nèi)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(shì)，但它們需要更大的天線。因此，對(duì)于許多應(yīng)用，毫米波或光鏈路效果更好。

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

任何為光功率傳輸而設(shè)計(jì)的系統(tǒng)都可能使用激光器——具有嚴(yán)格限制光束的激光器，例如光纖激光器。用于光功率傳輸?shù)慕邮掌魇菍ｉT的光伏電池，旨在以非常高的效率將單波長(zhǎng)的光轉(zhuǎn)換為電能。事實(shí)上，效率可以超過 70%，是典型太陽能電池的兩倍多。

在美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室，我們?cè)谶^去 15 年的大部分時(shí)間里都在研究不同的功率束選項(xiàng)并研究潛在應(yīng)用。其中包括延長(zhǎng)無人機(jī)的飛行時(shí)間和有效載荷能力，在黑暗中為軌道上的衛(wèi)星提供動(dòng)力，為在月球永久陰影區(qū)域運(yùn)行的漫游車提供動(dòng)力，從太空向地球表面發(fā)送能量，以及為戰(zhàn)場(chǎng)上的部隊(duì)分配能量。

你可能會(huì)認(rèn)為，一個(gè)以窄光束通過空氣發(fā)送大量能量的設(shè)備聽起來像是死亡射線。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，從低到無用到高到危險(xiǎn)。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(tuán)隊(duì)在 2019 年所做的，從那時(shí)起他們成功地?cái)U(kuò)展了這項(xiàng)工作。

作者的行業(yè)合作伙伴之一， PowerLight Technologies，前身為 LaserMotive，十多年來一直在開發(fā)基于激光的功率光束系統(tǒng)。這家公司以贏得2009 年NASA 動(dòng)力****挑戰(zhàn)而聞名，不僅在為機(jī)器人系繩攀爬器、四軸飛行器和固定翼無人機(jī)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(zhàn)。這很關(guān)鍵，因?yàn)槎嗄陙?，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(yàn)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(tuán)隊(duì)，空中客車公司和其他公司——但只有少數(shù)人以在每一種可能的情況下都真正安全的方式實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。

多年來，使用微波 [藍(lán)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實(shí)驗(yàn)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在超過一公里的距離上****了超過一千瓦的信號(hào)。

在作者團(tuán)隊(duì)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(qiáng)調(diào)該系統(tǒng)的安全性，BBC 科學(xué)節(jié)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(zhǎng)對(duì)您的眼睛來說比紅外光譜的其他部分安全一個(gè)數(shù)量級(jí)。

該策略適用于相對(duì)低功耗的系統(tǒng)。但是，當(dāng)您將級(jí)別推高時(shí)，您很快就會(huì)達(dá)到無論使用何種波長(zhǎng)都會(huì)引起安全問題的功率密度。然后怎樣呢？這就是作者展示的系統(tǒng)與眾不同的地方。

在超過 300 米的距離內(nèi)發(fā)送超過 400 瓦的功率時(shí)，光束被包含在一個(gè)虛擬外殼內(nèi)，該外殼可以感應(yīng)到物體撞擊它并觸發(fā)設(shè)備在造成任何損壞之前切斷主光束的電源。其他測(cè)試表明傳輸距離如何超過一公里。

仔細(xì)測(cè)試（沒有使用 BBC 科學(xué)節(jié)目主持人）驗(yàn)證了此功能的功能令其滿意，該功能也通過了海軍激光安全審查委員會(huì)的審核。在作者的演示過程中，該系統(tǒng)進(jìn)一步證明了自己，有幾次，鳥兒飛向光束，將其關(guān)閉——但只是暫時(shí)的。您會(huì)看到，系統(tǒng)會(huì)監(jiān)控光束所占據(jù)的體積及其周圍環(huán)境，當(dāng)路徑再次暢通時(shí)，電源鏈路會(huì)自動(dòng)重新建立自身。將其視為車庫門安全傳感器的更復(fù)雜版本，其中防護(hù)梁的中斷會(huì)觸發(fā)驅(qū)動(dòng)門關(guān)閉的電機(jī)。

在作者的演示中，出席的觀察者能夠在****和接收器之間走動(dòng)，而無需佩戴激光安全眼鏡或采取任何其他預(yù)防措施。這是因?yàn)椋藢⑾到y(tǒng)設(shè)計(jì)成可以自動(dòng)關(guān)閉之外，作者和他的同事還仔細(xì)考慮了接收器反射的可能影響，或者沿著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。

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