电磁波可以从地面为飞机提供动力

想象一下 2050 年 你乘坐的是新型客机，机上没有燃料，正在跨国飞行。飞机起飞，你飞过机场。但飞机并没有爬升到巡航高度，而是保持水平，发动机也安静下来，发出低沉的嗡嗡声。这是正常的吗？似乎没人知道。焦虑的乘客伸长脖子，想看清楚窗外的风景。他们都在寻找一件事。

然后它出现了：地平线上出现了一个巨大的天线阵列。它向飞机底部发出强大的电磁辐射束。吸收了这种能量后，发动机启动，飞机继续爬升。几分钟后，这束辐射将提供足够的能量，让你到达几百公里外的下一个地面天线。

你旁边的人发出了一声呼气声。你坐回座位上，等待饮料。与此相比，老式电动车续航里程焦虑根本不算什么。

飞行中的电磁波

我承认，航空业采用光束供电是一个荒唐的想法。如果物理学不禁止，联邦监管机构或紧张的乘客可能会禁止。但与其他航空脱碳方案相比，它
那 疯狂的？

电池、氢气、替代性碳基燃料——迄今为止开发的任何一种能源都无法像化石燃料那样廉价而密集地储存能源，也无法完全满足我们所知的商业航空旅行的需求。那么，如果我们放弃将所有能源储存在飞机上，而是从地面传输能源，结果会怎样呢？让我来概述一下实现这一想法需要什么。

对于无线电源，工程师可能会选择微波，因为这种电磁辐射可以平稳地穿过云层，而且飞机上的接收器可以完全吸收它，对乘客几乎没有任何风险。

为了给飞行中的飞机提供动力，微波辐射需要以紧密、可控的光束发射。这可以使用一种称为 相控阵，通常用于引导雷达波束。如果有足够的元件充分分布并协同工作，相控阵还可以配置为将功率集中在一定距离外的点上，例如平面上的接收天线。

相控阵的工作原理是相长干涉和相消干涉。当然，天线元件发出的辐射会重叠。在某些方向上，辐射波会发生相消干涉并相互抵消，而在其他方向上，波会完全同相，相加。当波相长重叠时，能量会朝该方向辐射，形成一束可以通过电子方式控制的功率束。

我们能用相控阵将能量以紧密的光束发射多远，是由物理学决定的——具体来说，是由所谓的衍射极限决定的。有一种简单的方法可以计算光束功率的最佳情况：D1 D2 > λ R。在这个数学不等式中，D1 和 D2 是发送和接收天线的直径，λ 是辐射的波长，R 是这些天线之间的距离。

现在，让我提供一些大概的数字来计算发射天线 (D1) 必须有多大。飞机上接收天线的大小可能是最大的限制因素。一架中型客机的机翼和机身面积约为 1,000 平方米，这应该相当于在飞机底部安装一个 30 米宽的接收天线 (D2)。

如果物理学不禁止的话，联邦监管机构或紧张的乘客可能会禁止。

接下来，让我们猜猜我们需要将能量发射多远。假设下方地形平坦，对于巡航高度的客机上的乘客来说，视线到地平线的长度约为 360 公里。但山脉会干扰，而且没有人希望 里程焦虑，因此，我们沿着飞行路径每隔 200 公里放置一个地面天线，每个天线发射的能量为该距离的一半。也就是说，将 R 设置为 100 公里。

最后，假设微波波长 (λ) 为 5 厘米。这提供了一个折衷方案，介于太小而无法穿透云层的波长和太大而无法重新聚集在接收天线上的波长之间。将这些数字代入上面的公式中，可以得出在这种情况下地面天线 (D1) 的直径至少需要约为 170 米。这非常大，但可能并非不合理。想象一下，沿着洛杉矶国际机场和旧金山国际机场之间或阿姆斯特丹和贝尔格莱德机场之间的路线分布着三到四个这样的天线，每个天线都有足球场那么大。

现实世界中的电力传输

虽然我所描述的在理论上是可行的，但在实践中，工程师们只传输了一架客机所需能量的一小部分，并且他们只在更短的距离内做到了这一点。

美国宇航局保持着
1975 年的实验，当时它用一个房子大小的天线将 30 千瓦的功率发射到 1.5 公里外。为了实现这一壮举，该团队使用了一种名为 速调管速调管的几何形状使电子以某种方式振荡，从而放大特定频率的微波——有点像口哨的几何形状使空气振荡并产生特定的音调。

速调管及其同类 腔磁控管 （在普通微波炉中很常见）由于结构简单，效率很高。但它们的性质取决于其精确的几何形状，因此协调许多这样的设备以将能量聚焦成紧密的光束是一项挑战。

近年来，半导体技术的进步使得单个振荡器能够以近乎完美的相位协调驱动大量固态放大器。这使得微波能够比以前更加紧密地聚焦，从而实现更精确的长距离能量传输。

2022 年，这家总部位于奥克兰的初创公司 翠 展示了这种半导体方法的前景。在空客位于德国的一间宽敞机库内，研究人员将 550 瓦的功率发射到 36 米外，并保持 95% 以上的能量以紧密的光束流动——这比模拟系统所能达到的效果要好得多。2021 年，美国海军研究实验室 (US Nav Research Laboratory) 表明，这些技术可以在更高的功率水平下处理
发送了超过一千瓦的 两个相距一公里多的地面天线之间。 其他研究人员为空中无人机提供能量一些团体甚至打算使用相控阵来 从卫星向地球发射太阳能。

经久耐用的整流天线

因此，向客机输送能源可能并不
完全 疯了。但请系好安全带，坐在座位上；这个想法会遇到一些麻烦。一架波音 737 飞机起飞时需要大约 30 兆瓦的电力——这是任何能量传输实验所证明的功率的一千倍。在保持飞机空气动力学（和飞行能力）的同时，将飞机规模扩大到这个水平并不容易。

考虑一下飞机上的天线设计，它接收微波并将其转换为电流，为飞机供电。这个整流天线，或 整流天线，需要考虑到空气动力学原理，将其安装在飞机的底面上。当飞机位于地面站正上方时，电力传输将达到最大，但当地面站位于飞机前方或后方时，其余时间电力传输将受到很大限制。在这些角度下，光束只会激活飞机的前表面或后表面，这使得接收足够的电力变得特别困难。

在如此小的面积上发射 30 兆瓦的辐射，功率密度将是一个问题。如果飞机的尺寸与波音 737 相当，那么整流天线就必须将大约 25 瓦的功率塞入每平方厘米。由于阵列的固态元件间隔大约半波长（即 2.5 厘米），这相当于每个元件约 150 瓦，非常接近最大功率密度
任何 固态电源转换装置。2016 年的最高分 IEEE/Google 小盒子挑战赛 约为每立方英寸 150 瓦（每立方厘米不到 10 瓦）。

整流天线还必须重量轻，并尽量减少对飞机上气流的干扰。出于空气动力学原因而牺牲整流天线的几何形状可能会降低其效率。最先进的功率传输效率仅为 30% 左右，因此整流天线不能承受太多的牺牲。

一架波音 737 飞机起飞时需要大约 30 兆瓦的电力——是任何能量传输实验所证明的电力的一千倍。

所有这些设备都必须在约 7,000 伏特/米的电场中工作——这是能量束的强度。微波炉内的电场强度只有其三分之一，却能在金属叉齿之间产生电晕放电或电弧，因此想象一下整流天线的电子元件内部会发生什么。

说到微波炉，我应该说一下，为了防止乘客在座位上做饭，任何采用光束供电的飞机的窗户肯定都需要像微波炉门上一样的金属丝网——以将那些炙热的电场挡在飞机外。然而，鸟类却没有这种保护。

飞过地面附近能量束的家禽可能会受到每平方米超过 1,000 瓦的热量——比炎热天气下的太阳还要强烈。在更高的地方，光束会缩小到一个焦点，产生更多的热量。但由于焦点移动速度非常快，而且位置比鸟类通常飞行的位置要高，所以从空中掉下来的烤鸭在两种意义上都是罕见的。Emrod 的首席科学官 Ray Simpkin 告诉我，使用 Emrod 相对低功率的系统“烤一只鸟需要 10 多分钟”。

不过，法律挑战肯定会出现，而且不仅仅是来自美国奥杜邦协会。通过空气传输的 30 兆瓦电力将比 5 厘米波长（目前为业余无线电和卫星通信预留的频段）的典型信号强约 100 亿倍。即使发射器能够成功地将 99% 的波束集中到紧密的波束中，泄漏的 1% 仍将是当今批准传输的强度的一亿倍。

请记住，航空监管机构 让我们关掉手机 飞机起飞时，无线电噪音非常小，想象一下，如果整架飞机受到比微波炉强得多的电磁辐射，他们会怎么说。所有这些问题也许都是可以克服的，但只有一些非常优秀的工程师（和律师）才能解决。

与我们在空中需要克服的法律障碍和工程难题相比，在地面建造发射阵列的挑战似乎微不足道，尽管它们必须非常庞大。问题在于必须建造的发射阵列数量惊人。许多航班在山区飞行，视线到地平线的距离不到 100 公里。因此，在现实世界的地形中，我们需要间距更近的发射机。而对于三分之一的跨海飞行里程，我们可能必须建造浮动阵列。显然，建设基础设施将是一项规模堪比艾森豪威尔时代美国州际公路系统的工程。

利用世界上最大的微波炉脱碳

人们或许能够找到许多此类问题的解决方法。例如，如果整流天线设计起来太困难，设计师也许会发现他们不必将微波重新转化为电能——已经有先例
利用热量推动飞机锯齿状的飞行路径（飞机在接近每个发射站时爬升，飞过后滑翔下降）有助于解决功率密度和视场问题，飞翼设计也有同样的效果，因为飞翼设计有更多空间容纳大型整流天线。也许使用现有的市政机场或将地面天线放置在太阳能发电场附近可以降低一些基础设施成本。也许研究人员会找到捷径来彻底简化相控阵发射机。也许，也许。

可以肯定的是，航空领域的光束能源面临诸多挑战。但航空领域脱碳的不那么奇特的方案也有自己的问题。 电池供电的飞机 根本无法满足商业航空公司的需求。最好的充电电池的有效能量密度只有喷气燃料的 5%。按照这个数字，一架全电动客机必须用电池填满整个机身——对不起，没有乘客的空间——而且它仍然只能达到普通喷气式飞机的十分之一。考虑到最好的电池在过去三十年中只改进了三倍，可以肯定地说
电池不会在短期内为商业航空旅行提供动力。

从天上掉下来的任何烤鸭在两个意义上都是稀有的。

氢 尽管早期的氢动力飞行在近 40 年前就出现了，但进展并不大。而且它具有潜在的危险性——以至于一些氢动力飞机的设计包括
两个独立的机身：一个用于燃料，另一个用于人们在物品爆炸时有更多时间逃离。让氢燃料汽车无法上路的因素可能也会让氢燃料飞机无法上天。

合成的 而生物基航空燃料可能是最合理的方案。它们将给我们带来我们今天所知道的航空业，只是成本更高——每张机票可能贵 20% 到 50%。但从粮食作物中生产的燃料可以
对环境的损害 比它们所替代的化石燃料和由二氧化碳生产的燃料₂ 和电力则更不经济。此外，所有燃烧燃料仍可能导致尾迹形成，这 占一半以上 航空业对气候的影响。

这种“理智”的航空脱碳方法的最大问题是，它根本没有为我们展现未来的愿景。在最好的情况下，我们将获得自 20 世纪 70 年代以来世界航空旅行体验的更昂贵版本。

确实，光束供电不太可能奏效。但偶尔研究一下这种疯狂的东西还是有好处的。飞机本身在最初被提出时就是一个疯狂的想法。如果我们想清洁环境并创造一个真正像未来的未来，我们可能不得不尝试一些听起来不太可能的方案。