其實這個問題本質是基於無線電能傳輸（wireless power transfer， WPT）發展前景的。
這個領域最早可以追溯到1914年尼古拉·特斯拉（Nikola Tesla）被授權的一項專利［1］。在當時很多雜誌和報紙也記錄了特斯拉生前為無線輸電建造的一些設施。最為著名的是圖1［2］特斯拉的Wardenclyffe電塔，建於1901-1902， 1906年被擱置。計劃失敗的原因除了經濟上贊助商們的意外離去之外，也和當時無線電波技術的不成熟密切相關。
圖1 Tesla‘s Wardenclyffe tower facility
而令人意想不到的是時隔一百多年以後，WPT的技術已經在朝著外太空發展。日本太空航空探索開發局（Japan Aerospace Exploration Agency， JAXA）的終身教授Susumu Sasaki在2014年4月24日向IEEE Spectrum投了一篇名為“How Japan Plans to Build an Orbital Solar Farm”的文章［3］，即“日本如何計劃建一個空間太陽能農場”。
作者在文中展望：“Imagine looking out over Tokyo Bay from high above and seeing a man-made island in the harbor， 3 kilometers long。 A massive net is stretched over the island and studded with 5 billion tiny rectifying antennas， which convert microwave energy into DC electricity。 ” 空間太陽能農場工作的基本原理是太陽電池在空間站將太陽能轉換為直流電，這一階段的能量轉換效率視太陽電池的型別而不同，一般在20%~40%左右，之後電能轉換為微波，輻射到地面被天線接收後再轉換為直流電，即經歷了光→電→微波→電的轉換過程。JAXA的這篇文章儘管雄心勃勃，但仍需克服很多技術、經濟上的問題。圖2是其裝置示意圖。圖3為作者列出的該計劃進度表。
該專案中最讓科學家們關心的核心問題主要有三個，一是高能量微波傳輸過程中可能對人體和環境會帶來哪些潛在的傷害，二是發射和接收天線的尺寸可能需要做的十分巨大，三是如何減少微波在傳輸的最後過程中即在大氣層中的損耗。第三個問題本質上是和效率相關的，這裡著重來說。
圖2 空間太陽發電農場裝置原理示意圖
圖3 JAXA 空間太陽發電農場計劃進度
說到效率問題，這裡先對目前所有可以實現WPT的技術原理上做一個分類。遠距離的WPT（這裡指傳輸距離遠大於幾個天線尺寸）包含了鐳射WPT和微波WPT（大類都屬於電磁波輻射的範疇，EM radiation）， JAXA的計劃便是利用了微波WPT的技術，除此之外該技術也被少數應用在無人飛行器遠距離供電上，如SHARP的無人機，見圖4［4］。近距離的WPT技術（Near-field inductive power transfer， IPT）按照傳輸方法可以分為電感耦合（Inductive coupling， IC）和磁耦合諧振（Magnetic resonant coupling， MRC）方式。這兩類都已經應用到了生活之中，如手機的無線充電就屬於IC技術，見圖4［5］，而MRC技術是美國麻省理工（MIT）的研究組在2007年提出的，在市場中應用的案例已有電動汽車、手機、無線感測器的無線充電［6］。
圖4 a為EM radiation，b為IC，c為MRC
這裡將這三種技術列在表中用以比較。
圖5 三種WPT技術的優劣勢比較
近些年關於近場傳輸的研究很多，其傳輸效率也已經做到了很高的水平，所有出現在科技論文中案例這裡都收錄在圖6［7］中。
圖6 近些年實驗室中耦合型近場WPT實現的效能表
相比之下超遠距離微波輻射的方式其能量傳遞效率就會由於外部輻射而低很多，MRC則為較為折中的米級別相對高效的無線輸運方式，也是目前主流用在電動汽車無線充電裡的技術之一。
綜合以上的無線輸電背景，在最後我稍稍展望一下問題中說的強電和弱電的未來。
所謂強電，其實是一個通俗的說法，泛指的是用於動力輸運的電能，重點在於其能源供給屬性，並沒有電壓必須高達多少的限制（不過常見的強電其電壓範圍一般為110 V到1000 KV）。就目前而言，強電的WPT在科學原理層次上已經沒有什麼未解難題，而更多需要的是解決工程上出現的問題。這些問題彙總來說不外乎以下三點，一，無線電波傳輸過程中可能存在的對生命體的不良影響，二，無線電波接收和發射天線裝置的工程技術最佳化，三，就是由於額外輻射帶來的功率損耗。而對於弱電，更多的是其具有可透過電子電路使電器實現被控制和功能化的屬性。因此弱電的無線輸送廣義上已經超出了上述WPT的範疇。廣播電臺、衛星電話、無線網路都屬於廣義上弱電的無線輸運。強電和弱電這二者在能量輸送的屬性上是完全不同的。
弱電的去電纜化程序從無線電報開始，其主要發展方向從來都不是效率的提升，而是資訊的傳遞；而強電的去電纜化最根本的問題則是如何減少能量運輸過程中的損耗。而問題中說的強電、弱電的無線輸送過程合二為一已經實現的一個例子就是載波技術，如圖7所示。即將載波進行調製解調從而實現資訊的無線傳遞，而其載體則是頻率更高的電磁波。
圖7 將待傳遞的資訊調製在載波上進行無線輸送
弱電和強電無線輸送的結合，原理上、技術上都不是難題。而問題在於如何發掘應用，場景中能量和資訊二者在輸送過程中需要明確誰是載體，誰是客體。智慧家居未來的場景需求可能為這個問題的解決提供了思路。一套無線電力網路既可以起到監測、反饋、控制功能，又可以起到能源輸送的功能，即二者互為主體，沒有側重。但這就要求了能源的集中管理和更加複雜的電路設計。
出於對目前科技進步的速度的認知，我相信在未來三十年中，工程上的進步會解決這些問題，強電的無線輸送、強弱電結合的無線輸送會在社會需求中取得很大的進步。首先中短距離的強電無線輸送將可以拓至米這一級別，而不是像現在的家用無線充電還停留在釐米的級別。而就大功率的電站級別的能量傳輸，微波輻射和鐳射傳輸的方式會更具有優勢，如果人類社會對於能源危機和環境惡化的認識更加深刻一些，在太空中陽光發電然後遠距離輸運到地面將可能成為現實，我們在有生之年完全可以目睹一個宏偉的太空電站的誕生和執行，這也將會是人類發展史一個上開創式的里程碑。
最後多說一句，未來科技的發展將會更多由工程進步和市場需求而導向，新的科學原理的發現帶動的科技進步會更加罕見。電力行業尤其如此。
參考文獻
［1］ Tesla N。 Apparatus for transmitting electrical energy。 U。S。 Patent 1，119，732； 1914。
［2］ Garnica J， Chinga RA， Jenshan L。 Wireless power transmission： from far field to near field。 Proc IEEE 2013；101：1321–31。
［3］ JAXA solar farm Project。
〈https：//spectrum。ieee。org/green-tech/solar/how-japan-plans-to-build-an-orbital-solar-farm〉。
［4］ SHARP Project。
〈http：//www。friendsofcrc。ca/Projects/SHARP/sharp。html〉。
［5］ Splash power Charger。
〈http：//gizmodo。com/342384/splashpower-charger-lets-you-charge-wirelessly-lose-that-wired-mess〉。
［6］ Wireless Power-Wireless Resonant EnergyLink （WREL）。
〈http：//newsroom。 http：//intel。com/docs/DOC-1119〉。
［7］ Jawad AM， Aqeel Mahmood， etc。
Opportunities and Challenges for Near-Field Wireless Power Transfer ： A Review。 ENERGIES。 2017； 10：7， 1022。
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