研究人員向1公里外發(fā)射了大量能量。

電線也對電力公司提出了挑戰(zhàn)。為了避免大部分電力被沿途消耗，這些公司必須努力將傳輸電纜的電壓提升到非常高的水平。為電動列車和有軌電車等公共交通供電時，電線需要結(jié)合滾動觸點或滑動觸點一起使用，而這類觸點很難維護，可能會產(chǎn)生火花，而且在某些情況下會產(chǎn)生有問題的污染物。

許多人都渴望找到這些問題的解決方案，過去10年，無線充電得到了廣泛采用，除了主要用于便攜式消費電子產(chǎn)品外，也用于汽車。雖然使用無線充電器就無需反復(fù)連接和斷開電纜，但這種方式的能量傳輸距離非常短。事實上，當(dāng)空氣間隙只有幾厘米時，給設(shè)備充電或供電就很難了，更不用說幾米了。真的沒有不用電線就能將電力輸送到更遠(yuǎn)距離的實用辦法嗎？

無線能量傳輸?shù)母拍顣屢恍┤讼肫鹉峁爬?/span>?特斯拉用高壓線圈釋放出微型閃電的畫面。這種聯(lián)系是有道理的。特斯拉確實曾試圖以某種方式將地面和大氣層作為遠(yuǎn)距離輸電的管道，但這一計劃毫無進展。然而，他不用電線就能遠(yuǎn)距離輸電的夢想一直延續(xù)了下去。

與特斯拉同時代的古列爾莫?馬可尼（Guglielmo Marconi）發(fā)現(xiàn)了利用“赫茲電波”（即我們今天所說的電磁波）來遠(yuǎn)距離發(fā)送信號的辦法。這一進步帶來了使用同一種波將能量從一個地方傳輸?shù)搅硪粋€地方的可能性。畢竟，所有儲存在木材、煤炭、石油和天然氣中的能量最初就是這樣到達這里的，數(shù)百萬年前，這些能量大部分都以電磁波（即陽光）的形式在太空中傳輸了1.5億公里。

今天能否利用同樣的基礎(chǔ)物理知識來取代電線呢？我和華盛頓美國海軍研究實驗室的同事都這么認(rèn)為，以下是其中一些原因。

上個世紀(jì)，人們偶爾會嘗試使用電磁波作為無線能量傳輸?shù)氖侄?，但這些嘗試的結(jié)果有好有壞。1975年可能是無線能量傳輸研究的黃金年份，當(dāng)時雷神公司的威廉?布朗（Willian Brown）和NASA噴氣推進實驗室的理查德?狄金森（Richard Dickinson，現(xiàn)已退休）使用微波在實驗室中傳輸能量，其端到端效率超過50%。在一次單獨的演示中，他們將30多千瓦的功率傳輸了大約1.6公里。

這些演示是NASA和美國能源部為探索太陽能衛(wèi)星的可行性而開展的一項大型活動的一部分。據(jù)提議，太陽能衛(wèi)星有朝一日將在太空中收集陽光，并將能量作為微波傳輸?shù)降厍?。由于這一研究方向在很大程度上受到了20世紀(jì)70年代能源危機的推動，因此在接下來的幾十年里，至少在美國，人們對太陽能衛(wèi)星的興趣逐漸減弱。

雖然研究人員經(jīng)常重新討論太陽能衛(wèi)星這個想法，但那些實際進行能量傳輸演示的人，在效率、距離和功率水平等方面都難以超過1975年達到的高水平。不過，得益于傳輸和接收技術(shù)最近取得的各種進展，這種情況正在開始改變。

大多數(shù)早期的能量傳輸努力僅限于微波頻率，也就是今天的Wi-Fi、藍牙和各種其他無線信號所使用的電磁頻譜。之所以這樣選擇，部分原因很簡單，因為有隨時可用的高效微波傳輸和接收設(shè)備。

不過，以更高頻率運行的設(shè)備在效率和可用性方面均已有所提高。由于大氣限制了部分電磁頻譜內(nèi)能量的有效傳輸，研究人員將重點放在了微波、毫米波和光頻上。雖然微波頻率在效率方面略有優(yōu)勢，但需要更大的天線。因此，在許多應(yīng)用場景下，毫米波或光鏈路更合適。

在使用微波和毫米波的系統(tǒng)中，發(fā)射器通常采用固態(tài)電子放大器和相控陣、拋物面天線或超材料天線。微波或毫米波接收器則使用了一種被稱為“整流天線”的元件陣列。這個詞由整流器和天線組成，反映了每個元件如何將電磁波轉(zhuǎn)化為直流電。

任何光功率傳輸系統(tǒng)都可能使用光束嚴(yán)格受限的激光器，如光纖激光器。光功率傳輸接收器專門用于以非常高的效率將單波長光轉(zhuǎn)換為電能的光伏電池。事實上，其效率可以超過70%，是一般太陽能電池的兩倍多。

你可能會覺得，一臺以窄光束通過空氣傳輸大量能量的裝置像是一條死亡射線。這就觸及了關(guān)鍵問題的核心：功率密度。從因為太低而沒有用的密度到因為太高而很危險的密度，不同的功率密度在技術(shù)上是可能實現(xiàn)的。但也有可能在這兩個極端之間找到一種令人滿意的中間密度。還有一些巧妙的辦法可以實現(xiàn)高功率密度光束的安全使用。這正是2019年我們團隊所做的事，從那時起，我們成功地擴展了這項工作。

我們的行業(yè)合作伙伴之一Power-Light Technologies（前身為LaserMo-tive）十幾年來一直在開發(fā)基于激光的無線能量傳輸系統(tǒng)。該公司因在2009年贏得了NASA無線能量傳輸挑戰(zhàn)賽（Power Beaming Challenge）而聞名遐邇，它不僅在為繩索攀爬機器人、四旋翼直升機和固定翼無人機提供動力方面取得了成功，還深入研究了用激光安全地傳輸能量的問題。這很關(guān)鍵，因為多年來，許多研究小組已經(jīng)演示了激光無線能量傳輸，包括美國海軍研究實驗室、近畿大學(xué)、北京理工大學(xué)、科羅拉多大學(xué)博爾德分校、日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（JAXA）、空客公司等團隊，但只有少數(shù)團隊在每種可能的情況下都以真正安全的方式完成了相關(guān)工作。

在我們團隊之前，也許最引人注目的安全激光無線能量傳輸演示是由Lighthouse Dev公司在2012年完成的演示。為了突出該系統(tǒng)的安全性，BBC科學(xué)節(jié)目《理論大爆炸》的主持人將自己的臉完全伸進了馬里蘭大學(xué)兩棟大樓之間發(fā)出的能量束里。這個特別演示利用了一個事實，即某些紅外波長對眼睛的安全性比紅外光譜的其他部分高出1個數(shù)量級。

這種策略適用于功率相對較低的系統(tǒng)。但是，把能級推得更高時，很快就會出現(xiàn)無論使用何種波長都會引起安全問題的功率密度。那怎么辦？這正是我們的演示系統(tǒng)的不同之處。在300米以外的距離發(fā)射400多瓦功率時，光束被包裹在一個虛擬外殼中，這個外殼可以覺察到撞擊它的物體，并在發(fā)生任何損壞之前觸發(fā)設(shè)備切斷主光束的能量。其他測試表明傳輸距離可以超過1公里。

經(jīng)過仔細(xì)謹(jǐn)慎的測試（沒有邀請BBC科學(xué)節(jié)目主持人），這一功能符合了我們的要求，也通過了美國海軍激光安全審查委員會的審查。在演示過程中，這個系統(tǒng)進一步證明了其安全性，有幾次有幾只鳥飛向光束，引發(fā)了系統(tǒng)自動暫時關(guān)閉。該系統(tǒng)會監(jiān)控光束所占據(jù)的體積及其周圍環(huán)境，因此當(dāng)路徑再次暢通時，電源鏈路會自動重新建立連接。我們可以把它看作高階版的車庫門安全傳感器，防護梁的突然出現(xiàn)會觸發(fā)驅(qū)動門電機自動關(guān)閉。

在我們的演示中，出席活動的觀察員可以在發(fā)射器和接收器之間走動，且無須佩戴激光安全護目鏡或采取任何其他防護措施。這是因為，除了把系統(tǒng)設(shè)計成能夠自動關(guān)閉外，我們還認(rèn)真考慮了接收器反射可能產(chǎn)生的影響，或沿光束路徑懸浮在空氣中的粒子對光的散射作用。

我們的下一個目標(biāo)是在移動平臺上應(yīng)用無線能量傳輸，并做好充分的安全措施。為此，我們希望擴大覆蓋距離和提高輸送功率。

不過，除了我們，世界各地的其他政府、知名公司和初創(chuàng)企業(yè)都在努力開發(fā)自己的無線能量傳輸系統(tǒng)。長期以來，日本一直是微波和激光無線能量傳輸領(lǐng)域的領(lǐng)頭羊，中國已經(jīng)縮小了這一差距，并且一直在趕超，韓國也是如此。

消費電子領(lǐng)域也有很多參與者，如Powercast、Ossia、Energous、GuRu和Wi-Charge等。據(jù)跨國技術(shù)巨頭華為公司預(yù)計，用于智能手機充電的無線能量傳輸將在“兩三代（手機）”內(nèi)實現(xiàn)。

在工業(yè)應(yīng)用方面，瑞奇實驗室、TransferFi、MH GoPower和MetaPower等公司正在利用無線能量傳輸技術(shù)解決棘手問題，即如何給存放在倉庫等地方的機器人和傳感器電池充滿電并使其隨時可用。在電網(wǎng)層面，Emrod等公司正試圖將無線能量傳輸提升到新高度。

在研發(fā)方面，我們團隊在過去一年中演示了1.6千瓦的安全微波無線能量傳輸，傳輸距離為1公里。II-VI Aerospace & Defense、Peraton實驗室、Lighthouse Dev等公司最近也取得了令人矚目的進步。如今，Solar Space Technologies、Solaren、Virtus Solis等雄心勃勃的初創(chuàng)企業(yè)以及其他低調(diào)的公司正在努力成為第一家實現(xiàn)從太空到地球的實用無線能量傳輸?shù)墓尽?/span>