无线能量传输 ——外星&地球科技大比拼( 二 ) 本文转自：北京邮电大学出版

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。

文章图片

文章图片

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。
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？这取决于飞船的重量。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。