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。 […]