TOKIÓ - szeptember 17. 2025 -Az NTT, Inc. (székhely: Chiyoda, Tokió; elnök-vezérigazgató: Akira Shimada; a továbbiakban: "NTT") és a Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. (székhely: Chiyoda, Tokió; elnök-vezérigazgató: Eisaku Ito; a továbbiakban "MHI") kísérletet hajtott végre a vezeték nélküli lézeres energiaátvitel segítségével, vezeték nélküli energiaátvitellel. Az 1 kW optikai teljesítményű lézersugár besugárzásával 1 kilométerre 152 W elektromos teljesítményt sikerült fogadnunk. Ez a szilícium fotoelektromos konverziós elemet (2. megjegyzés) alkalmazó optikai vezeték nélküli energiaátvitel legnagyobb hatékonyságát jelenti a világon, erős légköri turbulencia mellett.
Ez az eredmény azt mutatja, hogy megvalósítható az áramellátás távoli helyekre. A jövőben várhatóan a távoli szigetekre és a katasztrófa sújtotta-területekre történő igény szerinti áramátvitelre is alkalmazni fogják, ahol nem lehet tápkábeleket telepíteni.
Ezt az eredményt az Electronics Letters brit magazin 2025. augusztus 5-én tette közzé.
Háttér
Az elmúlt években egyre nagyobb figyelmet kaptak az olyan eszközök vezeték nélküli energiaátviteli technológiái, mint az okostelefonok, hordható eszközök, drónok és elektromos járművek, amelyek kábelek nélkül is képesek áramot szolgáltatni. Kétféle vezeték nélküli energiaátviteli rendszer létezik: az egyik mikrohullámú, a másik lézersugarat használ. A mikrohullámú vezeték nélküli erőátvitel már gyakorlatban is használatos, és felhasználása egyre bővül. Másrészt a lézersugarat használó optikai vezeték nélküli energiaátvitelt még nem alkalmazták a gyakorlatban, de a lézersugár nagy irányíthatóságának kihasználásával várhatóan kilométeres nagyságrendű, kompakt, nagy távolságú vezeték nélküli energiaátvitelt valósít meg (1. ábra).
A jövőbeli kilátások a következő -generációs infrastruktúra fejlesztését képzelik el, amely képes az energiaellátásra és a kommunikációs lefedettség bővítésére olyan helyzetekben és régiókban, ahol az elektromosság vagy a kommunikációs hálózatok nem elérhetők, például katasztrófák idején, távoli szigeteken, hegyvidéki területeken vagy tengeren. Ez magában foglalja a teljesítmény pontos szállítását meghatározott területekre vagy mozgó platformokra, például drónokra. Az ilyen rendkívül pontos és nagy távolságú-energialeadás eléréséhez lézer-alapú vezeték nélküli energiaátvitelre van szükség, amely kihasználja erős irányíthatóságát.
A meglévő technológiák kihívásai és a kísérlet eredményei
Az optikai vezeték nélküli energiaátviteli technológia hatékonysága általában alacsony, és a hatékonyság javítása a gyakorlati alkalmazás szempontjából kérdéses. Ennek egyik oka az, hogy amikor nagy-távolságú lézersugár terjed, különösen a légkörben, az intenzitás eloszlása egyenetlenné válik, és a fotoelektromos átalakító elemben a lézersugár elektromos energiává alakításának hatékonysága alacsony lesz.
Ebben a kísérletben az NTT sugárformáló technológiáját az MHI fényvételi technológiájával kombináltuk, hogy javítsuk a lézeres vezeték nélküli energiaátvitel hatékonyságát. Nagy-távolságú optikai vezeték nélküli energiaátviteli kísérletet hajtottunk végre kültéri környezetben, nagy-távolságú síknyaláb-alakító technológiával, amely az átviteli oldalon alakítja a nyaláb egyenletes intenzitását 1 kilométeres terjedés után, valamint olyan kimeneti áramkiegyenlítő technológiát, amely homogenizátorral és szintező áramkörrel elnyomja a légköri ingadozások hatását.
2025 januárja és februárja között optikai vezeték nélküli energiaátviteli kísérletet hajtottunk végre a Nanki{1}}Shirahama repülőtér kifutóján, Shirahama Townban, Nishimuro körzetben, Wakayama prefektúrában (2. ábra). A kifutópálya egyik végére egy lézersugarat kibocsátó optikai rendszerrel felszerelt adófülkét, 1 kilométerre pedig egy fény{4}}fogadó panelt tartalmazó fogadófülkét helyeztek el.
Az átvitel során a lézer optikai tengelye alacsony, körülbelül 1 méteres magasságban volt a talaj felett, és vízszintesen igazodott. Ennek eredményeként a gerendát erősen befolyásolta a talajfűtés és a szél, és a kísérletet erős légköri turbulencia mellett végezték.
Az adófülkében 1035 W optikai teljesítményű lézersugarat hoztak létre. Diffraktív optikai elem (DOE) (3. megjegyzés) segítségével a sugarat úgy alakították ki, hogy egyenletes intenzitáseloszlást hozzon létre 1 kilométeres távolságban. Ezenkívül egy sugárkormányzási tükröt használtak, hogy a formázott sugarat pontosan a fogadó panel felé irányítsák. A nyaláb az adófülke nyílásán keresztül távozott, és 1 kilométernyi nyílt területen terjedt, végül elérte a vevőfülkét.
A terjedés során a légköri turbulencia ingadozásokat okozott a nyaláb intenzitásában, forró pontokat hozva létre. Ezeket homogenizátorral szórták szét a fogadófülkében, aminek eredményeként egyenletes sugarat sugároztak be a fogadó panelre. A lézersugarat ezután hatékonyan elektromos energiává alakították át (3. ábra). A vevőpanelhez szilícium-alapú fotoelektromos átalakító elemet alkalmaztak, figyelembe véve a költségeket és a rendelkezésre állást.
Ebben a kísérletben a vevőpanelből nyert átlagos elektromos teljesítmény 152 W volt (4. ábra), ami 15%-os vezeték nélküli energiaátviteli hatékonyságnak felel meg, amelyet a vett elektromos teljesítmény és az átvitt optikai teljesítmény arányaként határoztunk meg. Ez az eredmény a világ legmagasabb optikai vezeték nélküli energiaátviteli hatékonyságát jelenti, amelyet szilícium-alapú fotoelektromos konverziós elem segítségével mutattak ki erős légköri turbulencia mellett. Ezenkívül a folyamatos áramellátást 30 percig sikerült fenntartani, ami megerősíti a hosszú -idejű energiaátvitel megvalósíthatóságát ezzel a technológiával.
Megjegyzés: Biztonsági szempontból az optikai átviteli rendszert és a vevőpanelt is a fülkékbe szerelték be, hogy megakadályozzák a nagy teljesítményű lézersugaraknak való véletlen kitettséget- és a visszavert fény szóródását.
Technikai kiemelések
Hosszú{0}}távolságú síksugár-alakító technológia
A fotoelektromos konverziós hatékonyság javításához szükséges a fotoelektromos átalakító elemre eső sugár intenzitáseloszlását egységessé tenni.
Ebben a tanulmányban egy olyan sugáralakítási módszert javasoltunk, amely lehetővé teszi az intenzitás egyenletességét a hosszú{0}}távolságú terjedés után. Ebben a megközelítésben a sugár külső része egy axikonlencse (4. megjegyzés) segítségével gyűrű alakú mintává alakul át. A sugár középső része fázis-{5}}modulált, hogy kitáguljon egy homorú lencse hatására. A sugár terjedésével a gyűrű alakú nyaláb és a kiterjesztett középső nyaláb fokozatosan átfedik egymást, ami egyenletes intenzitáseloszlást eredményez a célhelyen, amint azt az 5. ábra mutatja.
A kísérlethez úgy optimalizáltuk a nyaláb kialakítását, hogy 1 kilométeres távolságban elérjük a kívánt intenzitásprofilt. A sugáralakítást diffrakciós optikai elemmel valósítottuk meg, amely javította a sugárintenzitás egyenletességét az 1 kilométerre lévő célponton.
Kimeneti áram szintezési technológia
Ahogy a lézersugár a légkörben terjed, légköri turbulencia hat rá, ami megzavarja az intenzitáseloszlást. Bár a fent leírt sík-nyaláb-alakítási technika egységesítheti az intenzitáseloszlást, az erős turbulencia továbbra is nagy intenzitású foltok képződését okozhatja, amint az a 6. ábrán látható.
A probléma megoldása érdekében egy sugárhomogenizátort helyeztünk el a fény{0}}fogadó panel elé. A homogenizátor nagy-intenzitású foltokat szór szét, így a sugár egyenletesen sugárzik be a panelre. Ezen túlmenően a vevőpanel minden fotoelektromos átalakító eleméhez szintező áramköröket csatlakoztattak. Ezek az áramkörök segítenek elnyomni a kimeneti áram légköri turbulencia okozta ingadozásait, és hozzájárulnak a teljes kimeneti teljesítmény stabilizálásához.
Ez a két technológia lehetővé teszi a sugár egyenletességének elérését kilométeres{0}}rendű átvitelben, ami a hagyományos sugáralakítási módszerekkel nehézkes volt, valamint a kimenet stabilizálását kültéri környezetben. Ennek eredményeként várhatóan megvalósítható lesz a stabil áramellátás a távoli helyeken, például az elszigetelt szigeteken és a katasztrófa sújtotta{2}}területeken.
Az egyes cégek szerepe
NTT: Transzmissziós optika tervezése és megvalósítása, például nyalábformáló technikák
MHI: Fotodetektoros optikák tervezése és megvalósítása, mint például fotodetektor panelek, homogenizátorok és szintező áramkörök
Jövőbeli fejlesztések
Ez a technológia lehetővé teszi az energia hatékony és stabil átvitelét nagy távolságokon még légköri turbulencia mellett is. Ebben a kísérletben szilíciumot használtunk fotovoltaikus átalakító elemként. A kifejezetten a lézerfény hullámhosszához tervezett fotovoltaikus eszközök alkalmazásával azonban még nagyobb teljesítményátviteli hatékonyság várható. Ezen túlmenően a nagyobb kimeneti teljesítményű lézerfényforrások alkalmazása nagyobb mennyiségű villamos energia ellátását tenné lehetővé.
Ennek eredményeként rugalmas és gyors áramellátás érhető el olyan távoli területeken, mint a katasztrófa sújtotta{0}}régiók és a távoli szigetek, ahol a tápkábelek felszerelése hagyományosan nehézkes volt. A földfelszíni alkalmazásokon túl új felhasználási esetek széles skálája is elképzelhető e technológia alapján (7. ábra). Nevezetesen, a lézersugarak nagy irányíthatósága és alacsony eltérése lehetővé teszi kompakt és könnyű vevőkészülékek tervezését. Ez jelentős előny a mobil platformok számára, amelyek szigorú súly- és teherbírási korlátozásokkal szembesülnek.
Például ennek a technológiának a sugárkormányzási technikákkal való kombinálásával lehetővé válik az energia vezeték nélküli szállítása repülés közben a drónokhoz. Ezzel elkerülhetők az olyan működési korlátok, mint például az akkumulátorcsere miatti leszállás vagy a lekötött tápkábelek használata, ami lehetővé teszi a hosszú-időtartamú és nagy-távolságú folyamatos működést. Az ilyen képességek javíthatják a katasztrófa{4}}területek megfigyelését, valamint a kiterjedt-területi kommunikációt a hegyvidéki vagy tengeri régiókban, amelyek korábban nehezen megvalósíthatók.
Ezen túlmenően potenciális űrbeli alkalmazások várhatók, beleértve az olyan mobil platformok energiaellátását, mint a HAPS (High Altitude Platform Station) (5. megjegyzés), amely az NTT űrmárkájának, az NTT C89 (6. megjegyzés) hatókörébe tartozik. A távolabbi jövőre nézve a technológia alkalmazható űrbeli adatközpontok és holdjárók energiaellátására, valamint olyan űrnapenergia-rendszerekre, amelyekben az elektromosságot geostacionárius műholdakról lézeren keresztül továbbítják a földre. Ezek az alkalmazások erős piacbővítési potenciállal rendelkező területeket képviselnek.
Az NTT és az MHI együttműködésével megvalósítottuk a világ leghatékonyabb lézeres vezeték nélküli energiaátviteli technológiáját olyan körülmények között, amelyeket erősen befolyásolnak a légköri ingadozások. Ez az eredmény jelentős lépést jelent egy olyan innovatív technológiai alap kiépítése felé, amely képes megfelelni a társadalmi igények széles skálájának, a katasztrófaelhárítástól az űrfejlesztésig.
