200年前的技術構想，可能帶來21世紀的能源革命？

（文/周盛明 編輯/高莘）

早在200多年前的18世紀中葉，美國著名的政治家、外交家、科學家、發明家本傑明·富蘭克林（Benjamin Franklin）基於靜電現象中正負電荷之間的作用力提出了“靜電電機”的假設。

本傑明·富蘭克林設計的靜電電機複製品 美國國家歷史博物館

1749年，富蘭克林首次向公眾展示了靜電電機的原型。受到材料科學和相關技術的限制，靜電電機一直停留在實驗室中。但隨着科技的進步，這項200多年前的技術構想，正在帶來顛覆能源效率的可能性。

無需稀土，效率較電磁電機提升80%

從風扇、空調到新能源汽車，甚至是一塊小小的石英錶，電機在我們的生活中無處不在。目前幾乎所有的電器中使用的都是電磁電機：依靠電流在銅線圈中流動產生磁場，通過電磁作用驅動旋轉。

作為對比，靜電電機則通過正負電荷的吸引和由此產生的運動，不需要電流的流動，它依賴於靜電場的變化來產生旋轉。

由於靜電電動機不需要使用磁性材料，所以不需要傳統電磁電機中的稀土元素。此外，靜電電機所需銅量約為傳統電動機的5%。

此外，由於靜電電機避免了電流因為導線內阻帶來的損耗，所以效率較電磁電機提升80%以上。

《華爾街日報》近日刊文稱，靜電電機不僅可以在機器人領域提升其控制精度，它們還可以提高空調系統、工廠、物流中心和數據中心的效率。此外，靜電電機還可以作為發電機使用，提升可再生能源的獲得效率。文章中還指出，該技術甚至可以作為微型無人機的動力來源。

從實驗室走向工業運用

由於靜音電機在一些指標上具有優勢，這項技術正逐漸從實驗室中走向工業領域。

位於美國威斯康星州的科技公司C-Motive Technologies正在致力於復興富蘭克林提出的構想，開發可用於工業界的大型靜電電機。

相關資料顯示，C-Motive Technologies目前製造的原型機器能夠提供高達18N·m的扭矩和360W的功率，他們聲稱這些指標是同類產品中的最高水平。

C-Motive的靜電電機外觀 C-Motive Technologies

C-Motive Technologies正在與一些公司合作，將該靜電電機推向實際運用。據悉，聯邦快遞（FedEx）和羅克韋爾自動化（Rockwell Automation）正在測試它們的產品。

《華爾街日報》援引羅克韋爾自動化高級技術總監凱爾·克魯姆（Kyle Crum）的話表示：“相比較於靜電電機，電磁電機相關技術都是在相同的物理原理上發生變化，而靜電電機是徹底的變革。我很少輕易使用‘變革性技術’這個詞，但這次可能是真的，它可能會改變遊戲規則。”

C-Motive的靜電電機及其內部轉子/定子板的放大圖 C-Motive Technologies

聯邦快遞的技術人員馬克·克勞利（Mark Crowley）則表示，他們正在德克薩斯州沃斯堡附近的一箇中心測試這些靜電電機。

中國也在該領域取得了矚目的成果。據悉，北京航空航天大學科研團隊利用自主開發的新型靜電電機，成功研製出僅重4.21克的太陽能動力微型無人機，實現純自然光供能下的持續飛行。相關成果7月18日在國際學術期刊《Nature》發表，這也是國內首個在《Nature》上發表的飛行器成果。

北航科研團隊研發的太陽能動力靜電電機微型無人機 網絡圖片

北航能源與動力工程學院教授漆明淨表示，對於微型無人機來説，首要考慮讓動力系統減少熱量損耗，使太陽能電池片產生的電能高效轉化為動能。在這種情況下，靜電驅動方案轉速低、發熱少、效率高。

挑戰和機遇並存

值得注意的是，靜電電機雖然理論上可以實現更高的效率和更低的材料成本，但在實際應用中，維持強大靜電場需要很高的電壓。這增加了系統設計的複雜性，同時高電壓也對電機的絕緣材料提出了更高的要求。

此外，靜電電動機沒有廣泛的基礎設施支持，現有的工業體系以電磁電動機為基礎，轉向靜電電動機需要較大的技術調整和成本投入。

雖然現在討論靜電電機的大規模普及為時尚早，但就像鋰離子電池從實驗室走向千家萬户那樣，隨着研究的推進和商業化的嘗試，靜電電機同樣存在着巨大潛力。

C-Motive Technologies的Maroon表示，靜電技術目前並不適合於電動汽車或傳統無人機中的高速旋轉電機。但如果其證明其吸引力，那麼目前一些為傳統電機設計的系統，如空調，可能會重新設計為使用靜電電機。

羅克韋爾自動化的Crum表示：“任何初創公司和新技術都會有許多的不確定性。但是對於電機來説，包括風扇、泵、機器人在內的幾乎每一個工業設施都在使用他們。如果靜電電機被廣泛採用，單是效率的提升就能帶來千兆瓦級的電力能源節省。”

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