未来的“卫星电网”将能像传输数据一样向全球传输能量

新西兰的一家名为 Emrod 的公司表示，他们已经掌握了实现轨道上高效无线能量传输的技术。该公司提出了一种全球无线能源矩阵，可以通过卫星在地球上的任何两点之间瞬时传输可再生能源。

上图：Emrod表示，如果你有全球无线能源网络，你就不需要天基太阳能。

据悉，Emrod 公司刚刚向空中客车公司和欧洲航天局（ESA）演示了其无线能量传输技术，这也是 ESA 推动的全天24小时天基太阳能发电的新举措的一部分。事实上，天基太阳能的想法并不新鲜。主要的问题一直是设施的尺寸。你需要直径约2公里（1.2英里）的发射机和接收器，才能将几吉瓦的能量从大约3.6万公里（22370英里）外的地球同步轨道转移到地球上来。在地球上建造这么大的天线阵将是一个巨大的挑战。而在太空中建造一个呢？很难想象。

Emrod 公司表示，它的近场能量束可以比竞争对手的技术更有效地完成这项工作。但 Emrod 的创始人格雷格·库什尼尔（Greg Kushnir）也认为，有一种更便宜、更容易的方式可以满足欧洲乃至全球的可再生能源需求：通过建立一个全球无线能源矩阵，使用可能要小得多的低轨道卫星，能够即时向全地球范围发射能量。既然你可以用很少的价格在地面上建造太阳能，而且还能把能源输送到需要的地方，为什么要在太空中建造太阳能呢？

其实，早在2016年 GEIDCO 就提出的全球互联可再生能源电网的建议，该电网将贯穿数万英里的超高压电力线。而 Emrod 的世界能源矩阵概念，需要的地面和海洋基础设施要少得多，消除了大量令人头疼的规划和执行问题 —— 或者至少用新的轨道设施取代了这些头疼问题。但是，如果你在利比亚的撒哈拉沙漠中建造了一个巨大的太阳能阵列，那么就能在正午的太阳直射时产生最大的能量，当太阳开始下山时，你可以把这些能量直接发送到上海。

上图：一个全天候工作的全球无线能源网络将释放出规模非凡的可再生能源。

格雷格·库什尼尔表示：“从本质上说，几年来，我们一直在讨论能源产生和消耗的脱钩问题。这将是一场革命性的数量级，就像无线通信为我们的经济带来的变革一样。曾经，你必须把价值以黄金的形式从世界的一端运到另一端，装在船上的一个麻袋里。现在，你可以通过卫星的无线通信，以光速移动金融价值。但为什么只从这些电磁波中获取信息呢？为什么不从这些电磁波中获取实际的能量呢？或者两者兼而有之？”

目前，该公司已经扩大了2020年建造的基于实验室的小型设计。目前的方形发射和接收天线原型直径为1.92米（6.3英尺）。在欧洲航天局的演示中，该设备将一些清洁能源从空中客车仓库的一侧发送到另一侧（一个只有36米的间隙），为啤酒节的一个模型城市、一个氢电解槽和一个啤酒冰箱提供动力。

但是，在新西兰能源公司 Powerco 的支持下，它已经被证明能够在至少200米（656英尺）的户外完成同样的工作，该公司表示，它已经准备好在更长的距离上进行商业部署 —— 基本上，所需要的只是天线或继电器之间的直接、清晰的视线。

上图：Emrod 最近在德国的空客活动上为欧洲航天局展示了其无线功率波束技术。

全球无线能源电网当然是尼古拉·特斯拉在大约一个世纪前提出来的。当时，这一想法被著名银行家J·P·摩根（J. P. Morgan）驳斥了，他问道：“如果任何人都能利用这种电力，我们该把电表放在哪里？”而这样的资本家对现在 Emrod 的点对点技术不会有这样的问题，因为这种技术需要精确地瞄准大型的、仪表友好的接收器阵列。

格雷格·库什尼尔说：“技术就在这里。它已经被开发出来，开始投入使用。当空中客车公司想要将其作为天基能源基础设施的一部分进行演示时，世界上没有其他公司可以做到这一点。在过去的几个月里，业界似乎已经跟上了我们的愿景，开始为此投入预算和团队。但我们有一个领先的起点，我们比其他所有人都早三年开始了这个项目。”

他继续道：“这个想法已经流传了几十年。问题是，其他所有研究能量传输的团队都把它当作通信 —— 一种远场系统。而在远场系统中，你会得到旁瓣 —— 你会立即放弃15-20%的能量，这些能量会转移到侧面。波束开始发散，所以，你最终需要巨大的占地面积和一个巨大的天线，无论你想在哪里收集能量。因此，这些研究的成本/收益总是看起来不现实。”

“而我们并没有使用远场系统。我们已经回到了基本原理，用非常不同的方式来看待它，使用了近场系统。顺便说一句，近场和远场并不是关于距离的，而是关于你在哪里聚焦光束，在什么阶段捕捉它。我们用相控阵产生一个准直光束。它的移动几乎就像在虚拟电线中一样。轮廓很清楚，没有旁瓣。我们在近场捕捉它，更准确地说，是在菲涅尔区。在几天前的演示中，我们演示了超过95%的光束收集效率。我们知道如何将其控制在99%左右，因此它的效率已经比远场系统的理论极限要高得多。另外，我们还可以把天线做得更小。我们可以从聚焦中受益。”

上图：Emrod表示，无线电力传输可以像全球卫星网络中的电信数据一样快速传输能量。

目前，这项技术已经准备好扩大规模，以高效地处理轨道距离，随着放大效率的飞跃，通过卫星传输能源将与通过城市电网传输能源一样高效，或者说更高效。格雷格·库什尼尔表示：“如果你谈论的是未来五年里漂浮在那里的东西，它的端到端效率可能在60%-70%左右。如果我们谈论的是欧洲航天局2040-2050年的空间太阳能时间表，我们可以得到更高的效率，很可能达到世界上大多数电网的效率。也许不是欧洲或美国的电网，但远远高于世界上大多数电网。我认为，基准将在80%-85%左右。”

当然，为了让世界能源矩阵运行起来，你需要在太空中建造一系列的结构。这些卫星天线阵列，或多或少会起到透镜的作用，接收来自地面的能量波束，将其弯曲并重新聚焦，将其发送到另一个点，要么直接返回地面，要么通过另一颗卫星。虽然，这些天线阵列可能比以前估计的要小，但它们仍然不会太小。大小取决于距离，距离会影响你的星座中需要多少颗卫星，而这些只是一个复杂的可行性和成本效益方程中的几个元素。

就尺寸而言，如果将天线放置在400-500公里（250-310英里）高的轨道上，它需要与国际空间站108米（357英尺）高的结构差不多大，高度也差不多。虽然它远没有那个价值千亿美元的庞然大物那么复杂和昂贵，但它仍然需要相当多的天基组装，这将增加挑战。

Emrod 公司正在考虑另一项建议，将卫星放置在接近100公里（62英里）的低得多的轨道上 —— 这些卫星只需要30-40米（100-130英尺）宽，因此建造和发射成本要低得多。但它们的传输距离不会那么远，而且它们的飞行速度也非常快，距离地球非常近，需要应对相当大的空气摩擦。

上图：目前的发电机原型：1.92平方米的阵列。

该公司正在与一些航空航天公司进行洽谈，希望在三年内将首批测试设备送入轨道。格雷格·库什尼尔表示：“这将是第一步。任何与太空有关的事情都需要很多年。但我认为我们可以比欧洲航天局的路线图走得更快。这并不需要20年。话虽如此，我们不会坐等这一切发生。这是一项商业努力，第一批应用是地面应用。我们希望在2024年实现首次商业部署。”

库什尼尔认为，目前 Emrod 面临的最大问题根本不是技术，甚至不是经济问题。

“出于某种原因，”他说，“人们的认知存在差距。他们毫不犹豫地相信自己可以拿起手机--通过卫星发送的电磁波--与世界各地的人们交流并发送信息。但人们很难接受你可以对能源做同样的事情，从物理学的角度来看，这并没有太大的不同。”

“所以我们有很多东西要证明。我想，在大约两年内，我们将在第一批系统商业化部署之后跨越卢比孔河。然后，我们将开始看到它们得到更广泛的部署。第一组应用将会存在瓶颈的地方：通行权或许可权问题，或海底电缆。”

上图：Emrod表示，虽然长距离接触能量传输光束不太可能有危险，但为了保护穿过光束的鸟类、跳伞者等，光束可以很容易地部分关闭。

从那时起，事情可能会变得非常有趣；库什尼尔表示，该公司正处于开发“动力皮肤”的早期阶段，这种皮肤可以将飞机的整个机身变成一个广角天线阵列，能够在飞行过程中从天基或陆基发射器接收能量。如果 Emrod 能够向航空当局证明它是安全的，这样的事情可以完全避开阻碍航空公司脱碳的能源储存问题。

库什尼尔认为，未来的另一个关键问题是全球政治。他说：“这是下一个层次的能源基础设施。这将是高度政治化的，就像GPS、量子计算或任何其他突破性技术一样。一旦你可以即时发送能量，无论位置如何，你是否与一个国家接壤，或是否在世界的另一端，都不重要了。”如果你有一个友好的国家在正确的时区，在你需要的时候，可再生能源正在产生，你的能源供应就像这种关系一样安全。

即使 Emrod 公司的无线电源技术无法进入太空，那它所能做到的最好的就是更换掉一些高压输电线，这仍然是一个巨大的进步。但是，考虑到耗资220亿美元的“澳大利亚-亚洲电力连接”（Australian - asia Power Link）等项目所花费的巨额资金，无线电力卫星的天文数字成本可能开始变得有意义。“澳大利亚-亚洲电力连接”将通过世界上最长的海底电缆，将澳大利亚沙漠中的太阳能农场的可再生能源一路输送到新加坡。

一个可以有效连接地球上任何两点的全球无线电网（使用更小的陆地基础设施，而且不砍伐大片森林），确实将是全球向清洁能源过渡过程中一个改变游戏规则的飞跃。城市将需要更少的能量储存来稳固它们的电网 —— 这是一个巨大的优势，考虑到即将到来的锂短缺 —— 而且巨大的太阳能农场可以有效地利用地球上一些最偏远和最贫瘠的沙漠。这是一个巨大的野心，我们期待着 Emrod 能真的引领这项技术的进步。

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