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130年前特斯拉提出无线充电的设想终于被后人实现了!
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130年前特斯拉提出无线充电的设想终于被后人实现了!

2021-10-14 17:29:56 来源:翔宇振天

【哔哥哔特导读】工厂可能会使用数百个物联网传感器来监测仓库状况、预测机器故障或追踪生产线上的零部件动态。若能直接通过波束向这些物联网设备输送电力,将激励人们寻找更高效的生产方法。

英国“对话”网站发表题为《尼古拉·台斯拉:5G网络可实现其一个世纪前破灭的无线供电梦》的文章,作者是英国考文垂大学研究院副院长埃莱娜·高拉。全文摘编如下:

物联网

在职业生涯的巅峰时期,电气工程师先驱尼古拉·台斯拉沉迷于一种想法。他提出理论称,电力可以在空气中实现远距离无线传输——可以通过一系列精心布局的高塔,或是一组悬浮的气球。

事情没有如愿发生,台斯拉发展全球无线供电的雄心一直没有实现。但这一理论本身并未被推翻:只是需要使用大量电力,其中大部分都会被白白浪费。

如今,有一篇研究论文提出,5G网络工程师可能在不经意间建立了台斯拉在20世纪之交未能构建的东西:可用于为汽车、住宅、办公场所和工厂的小型设备充电或供电的“无线电网”。

5G技术依赖密集的基站网络和高性能天线,因此,通过对同样的基础设施进行微调,就可能实现向小型设备供电。但这种传输仍将受限于台斯拉塔的主要缺点——高耗能。鉴于气候危机迫在眉睫,这应该很难被接受。

数十年前,人们发现,密集的无线电波束可以实现较远距离输电,无需通过电线来携带电荷。这种技术如今被用于5G网络领域,这是通过局域天线传输的无线电波为手机联网的最新一代技术。

5G技术的目标是提供比4G网络快1000倍速度,每平方公里最多能连接100万用户——让那些在音乐节或体育赛事现场找信号的时刻成为过去。

为支持这些升级,5G技术使用了神奇的工程方法,这种方法包括三个部分:有更多基站的密集网络、特殊的天线技术以及在传统波段之外增加毫米波传输。

最后提到的毫米波以缩短传播距离为代价提供更大带宽。大多数无线路由器都在2GHz频段运行。如果你的路由器选择5GHz频段,你就会发现在线观影变得更加流畅——但必须靠近路由器才行。

如果进一步提高频率(例如30GHz以上的毫米波),你会获得更大带宽,但需要更靠近基站才能接入网络。这就是5G基站比4G基站更密集的原因。

前面提到的工程方法中,最后一点是大幅增加天线数量——在128至1024个天线之间,而4G的天线数量要少得多(某些情况下只有两个)。多天线技术使基站能够针对特定目标形成数以百计的铅笔状波束,为移动中的手机提供高效稳定的网络连接。

这些恰恰也是创建无线电网所需要的。

这些实验使用了新型天线来实现无线充电。在实验室中,研究人员能在两米多的较短距离内利用电波输送5G电力,但他们预计,未来的设备将能在180米的距离内传输6微瓦(1微瓦等于1瓦的百万分之一)。

一般物联网设备需要消耗大约5微瓦,但仅限于深度睡眠模式。当然,随着巧妙的算法和更高效的电子器件的研发,物联网设备所需的电力会越来越少,但6微瓦仍是非常小的电量。

这意味着,至少在目前,5G无线供电不太可能在日常生活中为手机充电。但它可以为传感器和报警器等物联网设备充电或供电,这些设备未来将会更加普及。

例如,工厂可能会使用数百个物联网传感器来监测仓库状况、预测机器故障或追踪生产线上的零部件动态。若能直接通过波束向这些物联网设备输送电力,将激励人们寻找更高效的生产方法。

但在这之前,还有一些挑战有待克服。为实现无线供电,5G基站将消耗大约31千瓦能量,相当于10个电水壶在不断烧水。

尽管科学家已经广泛驳斥了有关5G技术可能致癌的担忧,但基站发射出如此多能量可能并不安全。粗略计算显示,根据美国联邦通信委员会制定的安全规定,用户必须与基站保持16米以上的距离。

即便如此,这项技术仍处于起步阶段。未来当然可能有方法——例如配备能发射更窄、更有针对性波束的新天线——来大幅降低基站需要和浪费的能量。

现在提出要构建的这个系统让人联想到罗尔德·达尔的《查理和巧克力工厂》,其中实现了用电波将糖果传进电视——但必须用一块巨大的巧克力才能在另一端产生一块小得多的巧克力。

目前来说,5G无线供电只是一种设想,因为相对于向设备提供的电力而言,它消耗的电力实在太多。但是,如果工程师能找到更高效的方法通过电波在空气中输送电力,那台斯拉先生的无线供电梦或许能够实现——在他的努力失败100多年后。

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