我们一直在寻找各种表面上看来“免费”的能源，像是风电、水力、太阳能，甚至振动和摩擦等较不密集的能源。事实上，“雷击”(lightning strike)虽然经常存在着破坏性，但也是一种潜在的能量来源，很可惜却被浪费了。
雷击的发生机率之高令人惊讶。欧洲第三代气象卫星(European Meteosat Third Generation)于2022年12月发射升空后，在该卫星上的摄像机日夜追踪并记录到地球表面约80%以上的雷击，甚至包括最小和最快的雷击。
这种能源浪费的情况会改变吗？不太可能——但我们知道，在技术和进步方面，“永远都不要说不可能”。去年1月，一支欧洲团队在《自然·光子学》(Nature Photonics)期刊上发表了一篇有趣的论文，标题简单到令人讶异：“激光引导雷击”(Laser-guided lightning)。论文中详细介绍了法国、瑞士等国组成的研究团队如何利用高功率激光的重复脉冲，引导远在两英里之外的雷击路径，使其落至瑞士山地装置附近一根相对较小的接地棒上，如图1所示。
图1：a)位于瑞士Säntis Mountain山顶的实验设置布局；b)实验照片，其中激光束的二次谐波用于显示激光路径。
(来源：Nature photonics, 2023)
对此较可能的解释是激光脉冲使得空气过热，导致空气沿着激光路径导电(图2)。
图2：2021年7月24日，在激光照射下记录到的闪电事件快照。
(来源：Nature photonics, 2023)
这种引导雷击路径的能力带来了一个显而易见的问题：为什么不将这些能量导入某种能量储存系统(ESS)呢？毕竟，这些能量是真正接地的，不然就会被浪费掉。我甚至看过还有所谓的“专家”建议将它作为一种无成本/低成本的能量来源。
要是能这么简单就好了。由此产生的第一个问题是：雷击的能量和功率有多大？这个答案的范围很广，但据美国加州洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)空间与遥感小组的Tess Light指出，闪电的“威力和速度都相当惊人，每次雷击都能在短短几微秒内提供约5万安培的电流，产生高达兆伏级(megavolt)的冲击。”
此外，虽然每次雷击都能产生大约50或100亿焦耳(J)的能量(1GJ = 109焦耳)，但其中大部分能量都在加热空气中损耗掉了，因此这并不是“可捕捉”的电能。为了让您对这规模有一定的了解，一个大型电动车(EV)电池的容量约为100千瓦时(kWh)，或3.6×108焦耳。因此，尽管闪电看起来能量很大，但实际上并没有那么多，而且还需要伴随有大量的雷击。
那么，为什么不化繁为简，使用完全被动式的简易避雷针呢？答案与避雷针的作用范围有关。
虽然确切的数字取决于大气、地面和其他条件，但一般来说，标准避雷针可以在与其高度相等的半径范围内吸引闪电。因此，你需要一片大规模的避雷针“农场”，结合大量的土地面积和高大的避雷针。基于激光的方案增加了捕捉面积，从而降低了对避雷针高度的要求。
此外，还有另外一个问题：从能量平衡的角度来看，通过激光引导闪电路径是否值得？即使在技术上是可行的，激光方案也有其自身的明显缺点，因为它本身需要消耗大量的能量。研究人员使用了一种掺镱钇铝石榴石(Yb:YAG)激光器，它能够发出能量为500MJ的皮秒脉冲，波长为1,030nm，重复频率为1kHz。换句话说，驱动激光的能量成本大于捕捉闪电的能量成本。
这种不平衡在某种程度上类似于美国实验核聚变的国家点火装置(NIF)最近的核聚变“成功”报告。他们将数百个激光产生的约2MJ的能量集中至一个微小的核聚变燃料胶囊上，并引发了一次爆炸，产生约3MJ的能量。虽然这在许多方面都是一项突破，而且花费了数年的时间(和金钱)才得以实现，但激光驱动子系统本身的效率仅为1%，因此，该项目总输入能量需要大约200MJ，这可不能和成功划上等号。
即使功率均衡有利于捕捉闪电，也仍然无法解决捕捉闪电与任何已知ESS之间的另一个棘手问题。究竟要如何将这么大的功率(能量传输速率)输入电池中？现有的任何电池或ESS都无法承受如此巨大的电涌，而这也正是问题的核心。
当然，这类研究的下一步几乎总是离不开需要“更大规模”和“更多的钱”。在新闻报道中援引其首席研究员的话，他们希望将激光引导闪电路径的距离增加到数百米。理论上，如果使用更大、更强的激光器，就可能实现这一点，但在这次演示中所使用的激光原型已耗资高达20亿欧元了。如果这已经超出了您的预算，可能还是必须坚持使用一些更简单的东西，例如四晶体管DIY闪电探测器，请参阅“以模拟为中心的简单电路拓展STEM视角”(Simple analog-centric circuits expand STEM perspectives.)一文。
这整个捕捉闪电能量的报道还有一个有趣的历史渊源。公元1752年6月，早在我们今天使用的电流出现之前，本杰明·富兰克林(Benjamin Franklin)在他著名的“风筝实验”中，即已确实在莱顿瓶(Leyden jar，一种早期电容器，用于储存静电的装置)中捕捉到了闪电能量。这并不是神话或传说，因为当时有正确的记录。此外，在维基百科的“Kite Experiment”项目中也有清楚的讨论以及可靠的参考链接。
为了验证云中是否带有大量电荷，富兰克林将风筝的“下引线”拆开，将沾湿的麻绳连接莱顿瓶以利于导电，并由他儿子手持连接至所放风筝的另一根绝缘丝线棒。富兰克林和儿子都站在遮雨的棚子内，以免被淋湿。当绝缘丝线的毛竖起，便可得知云中确实带电荷，在当时人们还不了解电(静电或其他电力)，也没有任何实际用途之前，他成功展示了静电和闪电之间的关系以及云中放电的概念。
至于今天所讨论的闪电能量收集，情况似乎也是一样的：无论起初看起来多么吸引人，大规模的能量收集并不容易，而且事实上那里也绝对没有“免费的午餐”。
(原文刊登于EDN美国版，参考链接：Lightning as an energy harvesting source?，由Susan Hong编译)
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