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微波输电,基础研究,技术创新和灌水 精选

已有 5593 次阅读 2015-3-29 09:46 |系统分类:科普集锦

三菱公司刚刚“再次宣布”了微波输电技术的成功。在实验室中,这些人利用微波将能量输给了几十米外的一个接收天线,并且表示这是面向未来的空间太阳能电站的技术突破,云云。

为什么叫“再次宣布”呢?因为三菱鼓捣这空间太阳能电站的概念已经几十年了,每隔一段时间就出来宣布一次突破,宣布得大家都觉得这帮人神经了。当然,也真有跟着鼓噪的,比如真有人建议实际搞个发电输电测试,在某某空间站上玩玩看。

咱们姑且不提这些“圡星创新思维”,单说这个微波输电到底是个什么想法,到底算是科学研究还是技术创新还是卖广告的。

微波输电的原始考虑非常简单,就是在很多地方是没办法拉线输电的,只能用无线输电技术。但是无线输电从特斯拉开始,就一直不太靠谱。搞了这么多年,射频无线输电的主要卖点,还是在于可以节省插头和插座,而不是节省中间的线:通常无线输电的距离由末端接收线圈的尺寸决定,小于线圈半径的无线输电是主流,10倍于线圈半径的“中长距离无线输电”还是实验为主,原因也很简单,电磁波会发散和衰减,距离一超过线圈半径,就会有很多能量散逸出去。特斯拉倒是给了你个“创新想法”,就是匹配两边的频率,让他们共振,但是你没法保证在附近有没有其他损耗(比如中间有面墙壁或者一个铁片),这种东西会导致频率失配和传输能量损失,所以实际上没啥用处。

那么为了解决问题,最简单的想法就是让电磁波直线传播,那就要缩短电磁波波长,从射频的近场感应模式变成微波的直线传播聚焦模式。所以就有人提出了微波输电的概念,微波波长只有几个到十几个厘米,对于大尺寸的输送来说可以做到几乎无散斑传输。

那么这么简单的问题为什么三菱要做这么多年,还专门和空间太阳能电站绑定在一起?因为这东西虽然很炫,但是实际有价值的地方非常少。无发散的直线传输就意味着中间不能有障碍物,尤其不能有导电的障碍物。好了你明白了吧?在目前的地球上,这种事情太难发生了:连大地都是导电的。相比起来就只有空间站和地面之间是基本没什么障碍物的。可是另一方面,也没有人会发疯到说从地面拉根线往空间站供电。所以,专家们就倒过来考虑,干脆在空间站上做太阳能电站,然后往地面输电,不就完事了?

这里就不去讨论这想法有多伟大了,就说说为什么只有日本人(应该说只有这个公司)在闹腾这事而别人非常冷淡。前面已经说了,这东西最大的问题是现在只找到了这一个应用目标,但糟糕的是,稍微检查一下会发现,这个应用目标还偏偏不能应用这个技术。

无线输电现在已经卖了很多了,大家基本上也都有所了解,就是无线输电效率很低。近距离耦合的输电,一般可以做到70%左右的效率,考虑实验室结果,我们一般认为80%差不多是极限,除非使用完全不同的设计。微波输电的上限就简单的拿这个衡量一下,反正近距离输电也没啥发散问题,那么暂时估计百分之八十,损失掉百分之二十本身不少但是倒也不至于心疼,反正空间太阳能电站的有效效率本身就比地面高几倍。长距离的传输由于抖动问题(你没法解决空气流动和水蒸气散射吧?),会给末端接收站带来很大的困难---千兆瓦级别毫秒时间的稳压电路啊,理论上当然是可以做的,实践中的成本你自己琢磨去,工程难度再另说。

现在我们碰上重头戏了,发射端要发射微波,而且是在空间站上。微波发射目前大家就知道两个办法,一个是用电子束穿过磁场或者空腔,然后发生共振,这个叫真空微波源;另一个是类似于地面上用的半导体逆变器,就是用一些非常高频率的晶体管或者场效应管来处理。后者好做一些,但是最大的问题是单个器件的功率上限和效率都太低,需要把很多个器件并在一起,然后每个器件都需要独立的电路支持,最后形成一个巨大无比的网格,对,类似太阳能电池板,不过要重得多。好吧,太阳能电池主要的重量在于作为支架的玻璃,你在空间可以使用塑料薄膜作为载体,但是你这些电路怎么做?一个相控阵雷达一吨重,就那么几平方米的面积,你几十平方公里的电站要多少电路?用什么方法发射上去?不要说未来的技术如何,半导体器件的效率上限和工作原理有关,除非你发展出新的电子流动方式,否则电流在固体里面走,怎么也没法解决电阻问题。(传说中的天顶星能量块技术这里不做讨论,咱们不是特斯拉,没兴趣考虑那些超出物理原理的东西)

真空微波器件的情况好一些,因为电子束在真空中走,可以消除电阻问题,但是耦合方式决定了电子束不能把全部能量交给电磁波,需要专门的能量回收。在最好的情况下,加上能量回收,真空器件的效率可以达到百分之七十以上(百分之七十真的非常高了,一般的半导体器件连这个的一半都达不到),而且尺寸和重量都可以大大缩小,因为没有最大电流限制这个问题。

但是在空间站来说,就算百分之九十五(这个理论上反正目前的器件原理绝对做不到)的集中发射器件也没法用:一千兆瓦的百分之五就是五十兆瓦,这个损失无处可去,只能用散热系统处理掉。在地面上,这玩意根本不算个事:核电站效率连一半都没有,也照样使用。问题是在地面上我们是拿冷却水直接灌进发动机,再用海水什么的做次级释放热量。在空间站怎么做?做个空间电站,顺便每天送几百吨冷却水上去?偏偏这个问题还绕不开,要么你做分布输出,导致电站本身重量暴增;要么你做集中输出,导致一个无法解决的散热问题。

 

好了,我知道一定有人用“未来的技术如何”或者“一百年前的人肯定无法想像”来反驳我,这种东西没有太多讨论的。拿个类似的例子来说,王莽时候的人就设计过在身上绑俩大翅膀飞行,这都这么多年了,地球人首先普及了拿飞机飞,然后用火箭飞,唯独绑俩翅膀就飞的人力飞行器,一直也普及不开,原因么,大家都知道。而且这事神奇的在于其实大家心里都知道理论上的人力飞行器应用是完全可能的:给人做点基因改造变成鸟类就成了么。不过,你相信这种东西能实用化么?

所以说这个东西本质上就是文章灌水。每隔几年,发一个“重大进展”文章出来,反正大家看着乐呵一下,不用太认真。当然,在灌水工作里面,这个不算有想象力的,但是灌水本来也不在于想象力好不好?

那么既然这东西根本实用不了,三菱为啥还要做这个?为什么一个大公司(当然,已经没落的公司就是了)居然努力去灌水?首先你得从另一个角度看研究本身的意义:你这玩意搞一百年,也不可能就搞出一个太阳能微波输电空间站来,但是你搞这个,本身是对接收电路设计和微波设备设计(标准的应用技术研究)甚至电磁波传播计算(这可是标准的基础研究)的挑战,哪怕你测试的结果只是把你的微波计算软件精度提高了百分之几,它的价值就已经值回票价:你以后还要拿这东西干活呢。更不用说如果你搞出了一个比现在更好用的天线或者微波电路了。你会问我干脆就说自己在做啥不行吗?那真不行,一个是没法说服那些企业董事(董事又不懂这玩意干啥!),还有一个是管理方需要刷公司的知名度:作为一个工业公司,它是要知名度的,有名气才能好做事。你一个公司可以不靠研发赚钱,但是你绝不可以不靠研发赚知名度。这是大家都知道的事情,就像在高校里面大家使劲发文章做项目,可能你不靠发文章做项目赚钱,但是你不能不发文章做项目刷影响。对于一个公司来说,是宣布自己在为上帝造行宫能刷知名度,还是宣布自己在研究神学理论能刷知名度?

说了这么多,你可以自己评价这个东西是基础研究还是技术创新。不过我还得说一句,你看看这个东西,再想想所谓的技术创新是不是比文章灌水有意义,或者文章灌水是不是真的就是浪费资源,也许会有新的想法。





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