这款海洋“隐形斗篷”让海浪更大更好

任何玩过冲浪的人都知道，海浪的力量足以将你掀翻。目前有各种设计可以将部分海浪能量从海洋中转移到我们的家中和汽车中，但这项技术始终落后于可再生能源。

与太阳能电池板和风力涡轮机相比，恶劣的海洋环境使得波浪能设备更加昂贵，而对大浪的需求限制了可能的安装位置。到目前为止，大部分工程研究都集中在通过增加设备从给定波浪中获取的功率来提高设备的成本效率，但一个物理学家团队正在测试一种不同的方法：让波浪更大。

风车和波浪能装置都利用自然界的运动来发电，但尽管三叶涡轮机越来越多地出现在陆地上，但浮动浮标尚未占据美国海岸线。“我们认为波浪能领域比风能落后三十年，”桑迪亚国家实验室的水力研究员凯利·鲁尔说。

从随涌浪弯曲的蛇形带，到随波涛摇曳的海底板块，各种各样的设计都在争夺主导地位，每种设计都有各自的优缺点。波浪能收集器还必须在比其他发电机更恶劣的环境中运行。盐水会分解材料，藤壶会在关键的缝隙中冒出来，整个系统必须在海浪（和力量）尽可能猛烈的环境中工作。更糟糕的是，只有某些地区的起伏足够强烈才值得试验。“[美国]西海岸、阿拉斯加和夏威夷，”鲁尔列举了几个。“你认为的冲浪目的地，就是海浪最大的地方。”

如果由中国厦门大学陈焕阳领导的物理学家团队能够扩大他们本月早些时候在《物理评论快报》上描述的桌面设备的规模，那么他们可能会扩大全球适合波浪能利用的地点数量。

陈是一名物理学家，他通常花时间设计材料，使光线以奇特的方式运动，例如所谓的隐形斗篷，利用纳米级表面特征使光波不受干扰地绕物体弯曲。如果不是因为与浙江大学水利工程教授王振宇的友谊，他可能不会想到进入水工程领域。一天，他们边喝咖啡边讨论是否也能驯服水，因为水和光波在数学意义上的行为相似。王在大学里有一个足球场大小的造波池，所以他们决定试一试。

虽然改变光波的行为取决于用纳米级物体操纵它们对磁场和电场的响应，但控制水波要容易得多。这些波还取决于两个数字：地球引力加速度和海洋深度。“你无法改变重力，”陈说，“所以我们改变了深度。”此外，水波要大得多。

借鉴 2015 年微波聚集设计的灵感，陈设计出了一个更大的结构，可以以类似的方式聚焦水波。它的特点是一堆排列成环的矩形鳍片，每个鳍片都嵌入一个表面，向内移动时表面会上升（见上文）。当各种波长范围内的波进入环时，鳍片会将它们引导上斜坡，到达更小更浅的内部区域，在那里，它们聚集的能量会使它们以额外的力量喷发。陈说，该装置的深度变化是平滑的（而不是逐步的），还可以“隐藏”内部空间，以抵御特定大小的波（这意味着这种类型的波从设备中出来时基本没有变化），但这是一个额外的功能，不会影响其聚集波的能力。

在一次演示中（见下方视频），陈和振宇使用 17 英寸宽的聚光器将几分之一英寸高的波纹转换成三倍高的波纹，摇动纸船产生戏剧效果。陈说，放大倍数取决于外环和内环之间的距离，工程师可以在实践中进一步提高它。

波浪高度增加三倍，可用能量就会增加九倍，因此，将这些超大版本的集中器投入野外，可以将波浪能生产区扩大到冲浪目的地之外。但细节决定成败，在中心放置几个浮标发电机（而不是玩具船），并将它们散布在东海岸，不一定是一个成功的举措。

鲁尔说，最大限度地利用波浪能的想法显然引起了波浪能领域的极大兴趣，“但你必须考虑在哪里部署它。那里有鲸鱼的迁徙路线吗？如果它被海藻阻塞了怎么办？”

与浮标或底板（仅位于水面或海底）不同，陈的聚光器会从上到下穿过整个水柱，这使得选择建筑地点变得具有挑战性。将聚光器放置在近岸可能会干扰水下野生动物和航运、捕鱼等水面活动，但离岸建造则需要巨型结构到达海底，这是不可能的。即使存在合适的地点，它们也会受到限制。

尽管如此，陈和振宇还是愿意尝试。他们设想在上海南部的岛屿之间测试一个数百英尺宽的聚光器。那里的海底相对平坦且浅，政府已经部署了一台潮汐发电机。

即使这种设计遇到麻烦，陈预计聚光器只是工程师们可以应用于海洋领域的众多光学技巧之一。“对于光学来说，这非常困难，但对于水波来说，这非常简单，”陈说。“这只是一个开始。”