100多年前尼古拉·特斯拉的構想迎來了新的曙光。
編者按：遠距離「無線輸電」聽起來像是一個黑科技，無需使用銅線就能把能源傳輸至世界各地。但早在1890 年的時候，尼古拉·特斯拉就曾嘗試用 140 英尺的線圈，為兩英裡外的燈泡進行無線供電，可惜以失敗告終。這個想法在沉寂了100多年以後，在當今時代又迎來了新的曙光，紐西蘭初創企業Emrod正致力於推出全球首個遠程、高功率的無線電力傳輸系統。本文譯自Medium，作者Leon Okwatch，原標題為"How Far Are We From Wireless Electricity?"，希望對您有所啟發。
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無線輸電，是指不經過電纜將電能從發電裝置傳送到接收端的技術。現代科學革命使特斯拉的這個曾經被認為是白日夢的非凡想法，迎來了新的曙光。
那一年是1891年，一位名叫尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)的鮮為人知的塞爾維亞裔美國科學家設計了一種可以無線發電和傳輸電能的設備。特斯拉線圈是這項技術的原型，被特斯拉視為能源傳輸的聖杯。
1. 特斯拉線圈
特斯拉線圈是一種分布參數高頻串聯諧振變壓器，可以獲得上百萬伏的高頻電壓。
線圈通過電磁感應原理工作，特斯拉展示了如何使用線圈為幾米外的燈泡無線供電。
即使以現代標準來看，特斯拉也遠遠領先於他所處的時代，而且他的目光遠不止停留在特斯拉線圈的原型。他希望世界上所有人都能享受廉價甚至免費的電力。他突破了界限，創造出了在現實世界中更實用的東西，想為地球提供無限能源。
2. 沃登克萊夫塔
沃登克裡弗塔是尼古拉·特斯拉設計的一座無線電能傳輸塔，又稱作特斯拉塔。1901年，物理學家尼古拉·特斯拉到處求援，希望在紐約長島興建一座高塔進行跨大西洋無線電廣播和無線電能傳輸實驗。尼古拉·特斯拉最終說服當時億萬富翁摩根，徵得了15萬美元資助，實際上，摩根只對尼古拉·特斯拉的商業價值感興趣，他認為特斯拉能夠借這個項目實現無線通訊。特斯拉最痴迷的是無線能源傳輸。
尼古拉·特斯拉打著電信的旗號，獲得了建造這座塔的資金。他已經證明，使用特斯拉線圈變壓器，無需有線連接就可以傳輸高頻信號。
在他的實驗室裡進行的進一步秘密實驗使他確信，他可以利用地球上層大氣傳輸電能。沃登克萊夫塔是特斯拉設想的橫跨全球的塔網的原型，它可以讓世界各地從一個中央站遠程獲取無線能源。
特斯拉的計劃是，從附近的煤田發電，然後利用這個塔將電能輸送到世界各地，類似於無線電波的遠距離傳輸方式。
在接受《美國雜誌》採訪時，特斯拉如此生動地描述了他的願景：
「電力在不久的將來將不需要電線，就能傳輸到世界各地用於商業用途，例如家庭照明和駕駛飛機。我已經發現了這些基本原理，剩下的就是把它們商業化了。當這項工作完成後，你就可以去山頂俯瞰自己的農場，可以去北極，或者去沙漠都可以，只需要安裝一個小設備，就可以保障你日常的能源需求，比如做飯和燈光。」
——尼古拉·特斯拉
不幸的是，特斯拉的雄心壯志並沒有實現。在此之前，該項目的出資人摩根大通(JP Morgan)撤出了資金，特斯拉也因此破產。這座未完工的塔樓在1917年被拆除，以履行特斯拉的部分財務義務。
到目前為止，無線電力傳輸的概念一直被各種限制所淹沒。
3. 如今的無線電力技術
破滅的希望已經沉寂了100多年。而如今，又有幾家公司正在進入市場，他們的技術可以安全地做到通過空氣傳輸電能。
由政府支持的紐西蘭初創企業Emrod在這場競爭中處於領先地位，他們預計將向消費者推出全球首個遠程、高功率的無線電力傳輸系統，以取代現有的銅線技術。
這項技術利用電磁波在遠距離無線傳輸能量。Emrod的系統由四個部件組成:一個電源、一個發射天線、多個中繼站和一個接收天線組成，接收天線通常被稱為「rectenna」。
首先，發射天線將電能轉換成微波能量，並將其聚焦成圓柱形波束。微波光束通過一系列繼電器發送，直到它到達rectenna，再將其轉換為電能。
聽起來原理很簡單，但該技術最大的困難在於，如何解決無線電波在傳輸中的彌散和衰減問題。對於無線通訊來說，電波的彌散可能是好事，但無線輸電則恰恰相反。
相比之下，通過無線傳輸發送的原始能量是最重要的考慮因素。接收到的傳輸能量的比例成為關鍵的設計參數。因此，必須設計有效的辦法，儘量減少損失。
Emrod找到了應對這一挑戰的方法，創始人Greg Kushnir說：「我們開發的所有組件的效率都非常好。」近年來用於能量傳輸的新材料的發展有助於將能量損失降到最低。這家公司計劃將來進一步提高其效率。
值得注意的是，該技術是非常可靠的，因為它不受天氣或大氣條件的影響，因此意外停電將成為過去。
目前，這家初創公司正在尋求將能源帶給那些沒有電網的社區，或者從離岸資源轉移能源。
4. 無線輸電的前景
有人會說，無線電力是那我們並不需要的、被過度炒作的發明之一。畢竟，我們已經實現了電力傳輸，而且運行良好。
這遠非事實。傳統輸電方式的隱性成本極高。
建立電線傳輸系統並維護其正常運行的成本是很昂貴的，而且，偏遠地區有各種地理上的限制，使得電網無法擴展。而無線電力傳輸將有可能讓海上的船隻、電動汽車或飛機在行駛中進行充電。但或許它所帶來的最大革命，將是向全世界傳輸一種清潔、廉價的可再生能源。
我們可以通過兩種方式實現這一點：
1. 太陽能的遠距離傳輸
根據全球能源統計（Global Energy Statistics），2019年世界能源消費總量為130億噸石油當量(MTOE)。
這相當於17.3太瓦的功率。現在，如果我們用太陽能電池板覆蓋350 * 350公裡的土地，則可以提供超過17.4太瓦的電力。這個區域大約有43000平方英裡。大撒哈拉沙漠大約有360萬平方英裡，太陽能每天可以提供超過12小時的電力。
這意味著1.2%的沙漠面積足以滿足全世界的能源需求。而核聚變或任何其他正在開發的清潔能源都無法與之匹敵。
如果無線電力傳輸成為現實，我們就能利用撒哈拉沙漠的一小部分來獲取太陽能，並將其傳輸到全球，而不需要昂貴的銅線。這難道不是解決能源危機、汙染和氣候變化的重大突破嗎？
2. 太空太陽能
太空太陽能（Space-based Solar Power）的意思是，巨大的太陽能電池板在太空中收集太陽能，並將其傳輸回地球，這聽起來像是未來科幻電影中的瘋狂場景。
太空太陽能(SBSP)的概念是由俄羅斯科學家康斯坦丁 齊奧爾科夫斯基在20世紀20年代提出的，但在很大程度上一直是難以實現的。
情況正在逐漸改變。幾個月前，歐洲航天局宣布了資助SBSP的計劃，作為一種通過推進綠色能源生產來應對氣候變化的手段。
太空太陽能發電系統將為每個人提供清潔能源，無處不在。SBSP將採用無線電力概念。該計劃是將太陽能電池的電能轉換成能量波，然後利用電磁場將其傳輸到地球表面的天線上。然後天線就會把電波轉換回電能。
SBSP是一個有吸引力的解決方案，能夠解決迫在眉睫的能源危機問題，因為它有幾個優點，可以產生更多的能源：
在太空中總是處於正午，而地球上的太陽能電池板會受到日光和天氣的限制。
由於沒有大氣氣體、雲、塵埃和其他天氣事件的阻礙，太陽能電池板可以接收到更強烈的陽光。而地球的大氣層通常會吸收並反射一部分太陽光線。
太陽能板衛星可以全天24小時接收太陽能。而目前，地球電池板收集太陽能的時間平均為一天時間的29%。
電力可以迅速轉移到最需要的地區。
當然，SBSP仍面臨著許多障礙，其中最大的障礙是巨大太陽能電池板的發射和部署成本。新的超輕太陽能電池製造方法正在處於研究中。
5. 無線輸電：特斯拉曾經的夢想，如今即將實現的現實
我們這一代人在追求無線電力傳輸的過程中會得到很多，而不會失去什麼。在今後幾年中，我們將能看到如今的努力產生的積極結果。
可惜的是，偉大的發明家特斯拉將無法親眼目睹自己的夢想成真。
我很想說出特斯拉的一句名言：
「如果你想找到宇宙的秘密，請從能量、頻率和振動的角度思考。」
——尼古拉·特斯拉
來源：神譯局 譯者：Jane
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