远程能量传输：电力集束越来越实用和有效

研究人员向1公里外发射了大量能量。

电线也对电力公司提出了挑战。为了避免大部分电力被沿途消耗，这些公司必须努力将传输电缆的电压提升到非常高的水平。为电动列车和有轨电车等公共交通供电时，电线需要结合滚动触点或滑动触点一起使用，而这类触点很难维护，可能会产生火花，而且在某些情况下会产生有问题的污染物。

许多人都渴望找到这些问题的解决方案，过去10年，无线充电得到了广泛采用，除了主要用于便携式消费电子产品外，也用于汽车。虽然使用无线充电器就无需反复连接和断开电缆，但这种方式的能量传输距离非常短。事实上，当空气间隙只有几厘米时，给设备充电或供电就很难了，更不用说几米了。真的没有不用电线就能将电力输送到更远距离的实用办法吗？

无线能量传输的概念会让一些人想起尼古拉•特斯拉用高压线圈释放出微型闪电的画面。这种联系是有道理的。特斯拉确实曾试图以某种方式将地面和大气层作为远距离输电的管道，但这一计划毫无进展。然而，他不用电线就能远距离输电的梦想一直延续了下去。

与特斯拉同时代的古列尔莫•马可尼（Guglielmo Marconi）发现了利用“赫兹电波”（即我们今天所说的电磁波）来远距离发送信号的办法。这一进步带来了使用同一种波将能量从一个地方传输到另一个地方的可能性。毕竟，所有储存在木材、煤炭、石油和天然气中的能量最初就是这样到达这里的，数百万年前，这些能量大部分都以电磁波（即阳光）的形式在太空中传输了1.5亿公里。

今天能否利用同样的基础物理知识来取代电线呢？我和华盛顿美国海军研究实验室的同事都这么认为，以下是其中一些原因。

上个世纪，人们偶尔会尝试使用电磁波作为无线能量传输的手段，但这些尝试的结果有好有坏。1975年可能是无线能量传输研究的黄金年份，当时雷神公司的威廉•布朗（Willian Brown）和NASA喷气推进实验室的理查德•狄金森（Richard Dickinson，现已退休）使用微波在实验室中传输能量，其端到端效率超过50%。在一次单独的演示中，他们将30多千瓦的功率传输了大约1.6公里。

这些演示是NASA和美国能源部为探索太阳能卫星的可行性而开展的一项大型活动的一部分。据提议，太阳能卫星有朝一日将在太空中收集阳光，并将能量作为微波传输到地球。由于这一研究方向在很大程度上受到了20世纪70年代能源危机的推动，因此在接下来的几十年里，至少在美国，人们对太阳能卫星的兴趣逐渐减弱。

虽然研究人员经常重新讨论太阳能卫星这个想法，但那些实际进行能量传输演示的人，在效率、距离和功率水平等方面都难以超过1975年达到的高水平。不过，得益于传输和接收技术最近取得的各种进展，这种情况正在开始改变。

大多数早期的能量传输努力仅限于微波频率，也就是今天的Wi-Fi、蓝牙和各种其他无线信号所使用的电磁频谱。之所以这样选择，部分原因很简单，因为有随时可用的高效微波传输和接收设备。

不过，以更高频率运行的设备在效率和可用性方面均已有所提高。由于大气限制了部分电磁频谱内能量的有效传输，研究人员将重点放在了微波、毫米波和光频上。虽然微波频率在效率方面略有优势，但需要更大的天线。因此，在许多应用场景下，毫米波或光链路更合适。

在使用微波和毫米波的系统中，发射器通常采用固态电子放大器和相控阵、抛物面天线或超材料天线。微波或毫米波接收器则使用了一种被称为“整流天线”的元件阵列。这个词由整流器和天线组成，反映了每个元件如何将电磁波转化为直流电。

任何光功率传输系统都可能使用光束严格受限的激光器，如光纤激光器。光功率传输接收器专门用于以非常高的效率将单波长光转换为电能的光伏电池。事实上，其效率可以超过70%，是一般太阳能电池的两倍多。

你可能会觉得，一台以窄光束通过空气传输大量能量的装置像是一条死亡射线。这就触及了关键问题的核心：功率密度。从因为太低而没有用的密度到因为太高而很危险的密度，不同的功率密度在技术上是可能实现的。但也有可能在这两个极端之间找到一种令人满意的中间密度。还有一些巧妙的办法可以实现高功率密度光束的安全使用。这正是2019年我们团队所做的事，从那时起，我们成功地扩展了这项工作。

我们的行业合作伙伴之一Power-Light Technologies（前身为LaserMo-tive）十几年来一直在开发基于激光的无线能量传输系统。该公司因在2009年赢得了NASA无线能量传输挑战赛（Power Beaming Challenge）而闻名遐迩，它不仅在为绳索攀爬机器人、四旋翼直升机和固定翼无人机提供动力方面取得了成功，还深入研究了用激光安全地传输能量的问题。这很关键，因为多年来，许多研究小组已经演示了激光无线能量传输，包括美国海军研究实验室、近畿大学、北京理工大学、科罗拉多大学博尔德分校、日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）、空客公司等团队，但只有少数团队在每种可能的情况下都以真正安全的方式完成了相关工作。

在我们团队之前，也许最引人注目的安全激光无线能量传输演示是由Lighthouse Dev公司在2012年完成的演示。为了突出该系统的安全性，BBC科学节目《理论大爆炸》的主持人将自己的脸完全伸进了马里兰大学两栋大楼之间发出的能量束里。这个特别演示利用了一个事实，即某些红外波长对眼睛的安全性比红外光谱的其他部分高出1个数量级。

这种策略适用于功率相对较低的系统。但是，把能级推得更高时，很快就会出现无论使用何种波长都会引起安全问题的功率密度。那怎么办？这正是我们的演示系统的不同之处。在300米以外的距离发射400多瓦功率时，光束被包裹在一个虚拟外壳中，这个外壳可以觉察到撞击它的物体，并在发生任何损坏之前触发设备切断主光束的能量。其他测试表明传输距离可以超过1公里。

经过仔细谨慎的测试（没有邀请BBC科学节目主持人），这一功能符合了我们的要求，也通过了美国海军激光安全审查委员会的审查。在演示过程中，这个系统进一步证明了其安全性，有几次有几只鸟飞向光束，引发了系统自动暂时关闭。该系统会监控光束所占据的体积及其周围环境，因此当路径再次畅通时，电源链路会自动重新建立连接。我们可以把它看作高阶版的车库门安全传感器，防护梁的突然出现会触发驱动门电机自动关闭。

在我们的演示中，出席活动的观察员可以在发射器和接收器之间走动，且无须佩戴激光安全护目镜或采取任何其他防护措施。这是因为，除了把系统设计成能够自动关闭外，我们还认真考虑了接收器反射可能产生的影响，或沿光束路径悬浮在空气中的粒子对光的散射作用。

我们的下一个目标是在移动平台上应用无线能量传输，并做好充分的安全措施。为此，我们希望扩大覆盖距离和提高输送功率。

不过，除了我们，世界各地的其他政府、知名公司和初创企业都在努力开发自己的无线能量传输系统。长期以来，日本一直是微波和激光无线能量传输领域的领头羊，中国已经缩小了这一差距，并且一直在赶超，韩国也是如此。

消费电子领域也有很多参与者，如Powercast、Ossia、Energous、GuRu和Wi-Charge等。据跨国技术巨头华为公司预计，用于智能手机充电的无线能量传输将在“两三代（手机）”内实现。

在工业应用方面，瑞奇实验室、TransferFi、MH GoPower和MetaPower等公司正在利用无线能量传输技术解决棘手问题，即如何给存放在仓库等地方的机器人和传感器电池充满电并使其随时可用。在电网层面，Emrod等公司正试图将无线能量传输提升到新高度。

在研发方面，我们团队在过去一年中演示了1.6千瓦的安全微波无线能量传输，传输距离为1公里。II-VI Aerospace & Defense、Peraton实验室、Lighthouse Dev等公司最近也取得了令人瞩目的进步。如今，Solar Space Technologies、Solaren、Virtus Solis等雄心勃勃的初创企业以及其他低调的公司正在努力成为第一家实现从太空到地球的实用无线能量传输的公司。