无线充电技术问世 告别电线和电池已经为时不远

6月8日，《科学》杂志刊登文章说，美国麻省理工学院的研究人员最近在无线传输电力方面取得了新进展，他们用两米外的一个电源，“隔地”点亮了一盏60瓦的灯泡。

这个研究小组希望他们的无线充电技术能够在将来淘汰连接在电器与插座之间的电线。“这项发明可以把我们从电线中解放出来，在很大程度上可以理想地取代电池，至少在家庭和办公室的范围内。”小组成员之一阿里斯蒂迪斯·卡拉利斯说。

麻省理工学院物理学助理教授马林·索利亚契奇领导着这个6人小组。“这些电量足可以运行一台普通的笔记本电脑。”他说，“这是一个重要的里程碑。这项技术很快就能实际应用了。”

灵感来自“忘记充电”

索利亚契奇是在4年前开始这一研究的。同我们中的许多人一样，索利亚契奇也经常被忘记给手机充电所困扰。“有时我会忘记给手机充电，因此一旦手机电池耗尽手机就会嘀嘀作响把我吵醒，很是烦人。这个项目的灵感就来源于此。”索利亚契奇因此开始思考：如何能够让手机自己充电，于是他开始研究新的无线传输能量的方法。

事实上，有关无线传输能量的想法由来已久。早在19世纪30年代，迈克尔·法拉第就发现，周围磁场的变化将在电线中产生电流。19世纪90年代，爱迪生光谱辐射能研究项目的一名助手尼古拉·特斯拉就申请了最初的一个专利。

但遗憾的是，这方面的研究延迟了一个世纪。最大的障碍是传输效率太低又存在危险。电磁辐射只适合传送信息，并不适合传送能量。因为辐射无定向性可言，能量将会浪费在无用的空间中。有人设想使用定向电磁辐射，比如激光，但其可操作性不强且极具危险性。

另一个原因是因为当时没有太大的市场需求。不过，现在手机、笔记本电脑、随身听等小型无线设备的大量出现使大家对这一课题又产生了兴趣。无线工程公司剑桥咨询公司的蒂姆·福勒就说：“没有人愿意老是不停地更换电池。”

其实，这次索利亚契奇等人运用的原理很简单，那就是共振作用。

物理学家早就知道，在两个共振频率相同的物体之间能有效地传输能量，而不同频率物体之间的相互作用较弱。歌唱家演唱能将装有不同水量瓶子中的一个震碎，而不影响其他瓶子就是这个道理。这也好比我们荡秋千时，只需坐在上面让下垂的双腿同步摆动就能给秋千带来动力一样。

在灯泡实验中，麻省理工学院的研究小组用两个铜线圈作为电磁共振器。其中的一个线圈连接在电源上传输能量作为发射器，另一个线圈连着灯泡，作为能量接收器。通电后，发射器能够以10兆赫兹的频率振动，但它并不向外发射电磁波，而是在它的周围形成一个强大的非辐射磁场。这个非辐射磁场可以协调与另一个线圈(即接收器)进行能量传输。

这一原理并无特别之处，就如变压器里应用的电磁感应现象一样，同样是发射线圈里电流的运行使得接收线圈里感应产生电流。差异在于新技术让两个线圈之间的距离要远很多，在这次的实验里，距离达到了两米开外。

研究小组成员之一阿里斯蒂迪斯·卡拉利斯说：“这就是奇特之处。能量转移的效率可以达到45%，比普通的非共振磁感应效率要高出100万倍之多。”

广阔的商业前景

索利亚契奇希望通过使用不同材料和改进技术，把效率提高到70%至80%。他们相信，改进后的设备将在3到5年内为笔记本电脑、移动电话以及其他设备进行无线充电。一旦实现这种无线电力传输，就意味着一些小电器可以永久地摆脱电线甚至电池的束缚。

新的无线充电技术提高了无线传输能量的效率，但同时也带来了一个问题，高能量的微波在室内传播是否会影响人身体的健康？

去年，索利亚契奇在美国物理研究所论坛上对此做出了解释。他说，在非辐射能量传输过程中，只有进行充电的装置才能接收到能量，而多余的没被接受的能量则被发射器重新收回，因此不会对人体造成影响和损害。

根据索利亚契奇的设计，非辐射无线能量传输有距离的限制，接收器越小则这个距离越短。他计算出笔记本电脑大小的物体可以在几米的范围内接受无线能量传输，“这样在每个房间安装一个发射源，就可以给整个住宅的笔记本电脑供电了。”

据悉，索利亚契奇的技术已经引起了一些大型电子消费品厂商的兴趣，风险投资家们也竞相表示要向他的研究小组提供资金。这些研究人员目前正在考虑如何把这个热门项目转变为可供销售的商品。无线充电技术近年一直是科研的一个金矿。香港城市大学电子工程学系许树源教授在早几年曾成功研制出“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，不需外接电线，透过低频电磁场自动充电，充电时间与传统充电器无异。但这一技术仍需要产品与充电器接触，它主要利用的是近场电磁耦合原理。

从汽车到太空电站

关心无线能量传输技术的不仅仅是电器制造商，还包括不少汽车制造商。在1997年的美国底特律汽车工程师协会展览会上，一位名叫罗纳德·佩里斯的研究人员提出过较为具体的电动汽车“远程无线充电”方案。

在这个方案中，佩里斯设想利用一台无线发射器将电能转换成一种符合现行美国技术标准的特殊的微波束给移动中的电动汽车充电，汽车只要进入发射器工作范围，用安装在车顶的专用接收天线接收微波束即可。这样，给车辆充电就像使用车载电话一样方便。

佩里斯希望，这项技术可以首先应用在市内的公共电车上。发射器就安装在公共汽车站附近，这样行车途中就不必担心没电了。至于空中传输电力的潜在危险，佩里斯相信，这种传输方式对人体无害。他反而认为，在行驶过程中携带几十加仑挥发性液体燃料倒是更危险。

除了为电动汽车无线充电外，人们还设想过利用无线能量传输技术在太空建造永久性的太阳能电站。

1968年，美国人格拉泽最早提出在离地面36000公里的地球静止轨道上，建造太阳能发电站的构想。这个电站利用铺设在巨大平板上的亿万片太阳电池，在太阳光照射下产生电流，将电流集中起来，转换成无线电微波，发送给地面接收站。地面接收后，将微波恢复为直流电或交流电，送给用户使用。

20世纪70年代末，全球发生石油危机，美国航宇局和能源部曾组织专家对这一设想进行论证。专家们经过论证后，提出一个名为“1979SpS基准系统”的太空电站方案，该方案需要2500亿美元的投资和18000人年的在轨工作量(相当于600名航天员装配工在太空工作30年)。

这个庞大的方案一出台，就因耗资过大招来众多的非议和责难。再加上，当年里根政府对空间太阳能发电兴趣不大，更愿意支持“星球大战”计划和自由号空间站。在一片反对声中，美国航宇局不得不把这个方案束之高阁，美国关于空间太阳电站的研究暂告停顿。

但是，其他空间国家或组织，如俄罗斯、欧盟、日本等仍在进行，特别是日本，计划到2040年，建造一座重达2万吨的太阳能电池板，发电能力为1000兆瓦。但缺点是电价将是现在核电售价的7倍。

事实上，从低频波到宇宙射线，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。在不少物理学家看来，人们要做的或许仅仅是找到合适的办法接收和利用这些能量。