特斯拉的“异端”世界无线充电构想

对于大多数人来说，提到无线充电技术就像隔空取物一样，首先想到的是科幻故事里的情节，比如《最终幻想VII》中描述的那个充满能量流动（生命之泉）的世界或是电影《阿凡达》中娜美星的能量网络。然而不通过电缆，能量是如何从一端传送到另一端的？其实这种技术，也确实如一些科幻作品中所描述的，是从大地与天空中汲取能量的一种技术：从低频波到宇宙射线，其实我们周围到处存在着电磁波，它们都携带着或多或少的能量，所以不少物理学家都认为只要找到合适的办法就能接收和利用这些能量。

特斯拉构想

100年前，交流电的发明者美国人尼古拉・特斯拉从闪电中获得灵感，设计了“特斯拉线圈”，这是一种分布参数高频共振变压器，可以轻松获得上百万伏的高频电压。游戏《红色警戒》系列里面的电磁塔（特斯拉塔）就是根据特斯拉线圈设计的。

后来，特斯拉发明了所谓的“放大发射机”，现在称之为大功率高频传输线共振变压器，用于无线输电试验。特斯拉的无线输电技术神乎其技。特斯拉把地球作为内导体，地球电离层作为外导体，通过他的放大发射机，使用这种放大发射机特有的径向电磁波振荡模式，在地球与电离层之间建立起大约8赫兹的低频共振，利用环绕地球的表面电磁波来传输能量。这一系统与现代无线电广播的能量发射机制不同，而与交流电力网中的交流发电机与输电线的关系类似，当没有电力接收端的时候，发射机只与天地谐振腔交换无功能量，整个系统只有很少的有功损耗，而如果是一般的无线电广播，发射的能量则全部在空间中损耗掉了。

无线充电的发展

在石油资源日渐枯竭的今天，无线电能传输对于新能源的开发和利用、解决未来能源短缺问题有着重要的意义，因此许多国家都没有放弃这方面的研究。1968年，美国工程师Peter Glaser提出了空间太阳能发电(Space Solar Power，SSP)的概念，其构想是在地球外层空间建立太阳能发电基地，通过微波将电能传输回地球，并通过整流天线把微波转换成电能（如图）。1979年，美国航空航天局NASA和美国能源部联合提出太阳能计划――建立太阳能卫星基准系统。欧盟则在非洲的留尼汪岛建造了一座10万千瓦的实验型微波输电装置，已于2003年向当地村庄送电。野心勃勃的日本拟于2020年建造试验型太空太阳能发电站SPS2000，2050年进入规模运行。

香港城市大学的许树源教授早在几年前就曾经成功研制出一种无线电池充电平台，可将数个电子产品放在一个充电平台上，透过低频电磁场充电，充电时间与传统充电器无异，技术实现也不深奥。这种无线电池充电平台利用的就是变压器原理――变化的磁场中闭合的金属线圈会产生电流。而英国SplashPower公司2005年初上市的无线充电器Splash pads，就是变压器原理商业化的无线充电产品。

在2011年日本最大的无线通讯展（Wireless Japan 2011）上，研究人员展示了一款二维通讯设备。当用户将电子设备放在平板上时，系统会在设备所放位置的特定领域聚集电磁波，而不是在整块平板上均衡地发散。如此一来，只有设备放置处的导电膜片（conductive sheet）才会收到电磁波。这种方法不仅可以集中传输电力，还能提高节能效率，这样绝大部分的能源就被节省下来了。

无线电能传输有电磁感应、电磁共振和微波三种基本方式，这三种技术分别适用于近程、中短程与远程电力传送。其中电磁感应是将线圈中的电流直接以电磁波形式进行1cm以下的近距离收发，收发设备需要有较高的识别能力，由于电磁波是向四面八方辐射而大量散失，因此效率较低，通常它只适合相互“贴着”的小功率电子产品。电磁共振方式是利用电磁波通过线圈产生同频率的磁场共振实现无线供电，磁场的强弱决定了它的传输距离和效率，它可以实现10m左右距离的室内供电。微波方式是将电力以微波或激光形式发射到远程的接收设备，然后通过整流、调制等处理后使用。几种技术各有特点，近来电磁感应和电磁共振技术取得了突破，更适合日常应用。

无线充电的未来

由线圈旋转切割磁场产生的电流，两个设备中分别使用了一个具备振荡电路特性的线圈组成一对收发天线，让其中一个天线发送能量，另一个天线则接收能量。当向其中的发送线圈加载数兆赫兹的交流电场之后，其天线周围产生磁场，通过相同频率共振向处于一定距离之外的另一根天线传输电力，从而实现无线电力传输。英特尔西雅图实验室就试制出了这样的磁场耦合共振电力收发器，可以在2米距离内无线给60W灯泡提供电力。英特尔首席技术官Justin Rattner表示，未来可以将无线充电装置安装在办公桌内部，只要将笔记本、手机等放在桌上就能够立即供电。笔者认为这才是无线充电技术的未来。

无论是电磁感应，还是电磁共振技术，效率都和产生磁场的线圈大小有关。如果要将它内置到充电装置和笔记本、手机等便携设备中，就必须精简线圈尺寸，发送和接收效率自然也会随之下降，因此需要更先进的控制芯片以及收发电路设计使无线电能的传输效率提升到75%以上，从而让无线供电的效率更高，充电时间更短。

不过距离也是无线电力传输的一大障碍，距离越远损耗越大，接收端能感应到的电能也就越少。然而在通常情况下，当接收端天线的固有频率与发射端的磁场频率一致时，就会产生共振，此时磁场耦合强度明显增强，无线电力的传输效率大幅度提高。不过，这种电磁场的频率可能对设备内部的其他部件造成干扰。

在未来，我们可以将无线充电装置放在办公室、旅馆和机场的顶部，只要身处发射共振有效工作距离之内，就能立即为笔记本、手机无线充电，就像现在已经十分普及的WiFi无线上网一样简单。人们不再需要随身携带充电器，不再为各种不匹配的接口而发愁，也不必为延长待机时间而使用笨重的电池了。也可以在自家的墙上安装一个电力发射器，这样所有的家用电器也可以实现无线充电。

tips

今天人们谈到得特斯拉几乎成为了阴谋论和伪科学的标志性人物。其实除了发明交流电以外，特斯拉许多设计和概念都相当超前，特别是他的无线充电技术一旦变成现实，电力将成为一种免费的用之不竭的能源（特斯拉发明的交流电没有收一分钱使用税，否则他肯定是亿万富翁）。可惜的是，由于他的竞争对手爱迪生通过各种不正当手段对其打压与诬蔑，导致特斯拉的无线充电设计并没有投入到商业应用。在他死后，相关的研究资料也被FBI列为机密文件，与世隔绝。直到今天，科学界仍无法还原特斯拉当年的研究成果。