TOKIO - 17. septembar, 2025 -NTT, Inc. (Sjedište: Chiyoda, Tokio; predsjednik i izvršni direktor: Akira Shimada; u daljem tekstu "NTT") i Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. (Sjedište: Chiyoda, Tokio; predsjednik i izvršni direktor: Eisaku Ito; u daljem tekstu "MHI") proveli su eksperiment za bežični prijenos energije laserskog prijenosa bežičnog kilometra daleko. Zračenjem laserskog snopa optičke snage od 1 kW uspjeli smo dobiti 152 W električne energije na 1 kilometar udaljenosti. Ovo označava najveću svjetsku efikasnost optičkog bežičnog prijenosa energije korištenjem silicijumskog fotoelektričnog konverzijskog elementa (Note2) u okruženju sa jakom atmosferskom turbulencijom.
Ovaj rezultat pokazuje izvodljivost isporuke struje udaljenim lokacijama. U budućnosti se očekuje da će se primjenjivati na-prenos električne energije na zahtjev do udaljenih ostrva i katastrofom-pogođenih područja gdje se ne mogu instalirati kablovi za napajanje.
Ovo dostignuće objavljeno je u britanskom časopisu Electronics Letters 5. avgusta 2025. godine.
Pozadina
Posljednjih godina, tehnologije bežičnog prijenosa energije za uređaje kao što su pametni telefoni, nosivi uređaji, dronovi i električna vozila, koji mogu opskrbljivati strujom bez korištenja kabela, privukli su sve veću pažnju. Postoje dvije vrste bežičnih sistema za prijenos energije: jedan koristi mikrovalne pećnice, a drugi koristi laserske zrake. Mikrovalni bežični prijenos energije već je u praktičnoj upotrebi i njegova upotreba se širi. S druge strane, optički bežični prijenos energije pomoću laserskog snopa nije uveden u praktičnu upotrebu, ali se očekuje da će ostvariti kompaktan bežični prijenos energije-na daljinu reda veličine kilometara korištenjem prednosti visoke usmjerenosti laserskog zraka (slika 1).
Budući izgledi predviđaju razvoj infrastrukture sljedeće-generacije sposobne za snabdijevanje električnom energijom i proširenje komunikacijske pokrivenosti u situacijama i regijama gdje su električna energija ili komunikacione mreže nedostupne, kao što su tokom katastrofa, na udaljenim ostrvima, planinskim područjima ili na moru. To uključuje isporuku energije precizno određenim područjima ili pokretnim platformama kao što su dronovi. Postizanje ovako visoko precizne i-isporuke energije na velike udaljenosti zahtijeva laserski-bazirani bežični prijenos energije koji koristi prednost svoje snažne usmjerenosti.
Izazovi postojećih tehnologija i dostignuća ovog eksperimenta
Efikasnost tehnologije optičkog bežičnog prenosa energije je generalno niska, a poboljšanje efikasnosti je problem za praktičnu upotrebu. Jedan od razloga za to je što kada se laserski snop- širi na velike udaljenosti, posebno u atmosferi, distribucija intenziteta postaje neujednačena, a efikasnost pretvaranja laserskog zraka u električnu energiju u elementu za fotoelektričnu konverziju postaje niska.
U ovom eksperimentu, kombinovali smo NTT-ovu tehnologiju oblikovanja snopa sa MHI-ovom tehnologijom prijema svetlosti kako bismo poboljšali efikasnost laserskog bežičnog prenosa energije. Proveli smo-ekperiment optičkog bežičnog prijenosa energije na velike udaljenosti u vanjskom okruženju koristeći-tehnologiju oblikovanja ravnog snopa na velike udaljenosti koja oblikuje snop na strani prijenosa kako bi se postigao ujednačen intenzitet snopa nakon 1 kilometra širenja, i tehnologiju niveliranja izlazne struje koja potiskuje utjecaj atmosferskih fluktuacija i kolebanja nivoa na strani homogenizatora kola.
Od januara do februara 2025. izveli smo eksperiment optičkog bežičnog prijenosa energije na pisti na aerodromu Nanki-Shirahama u gradu Shirahama, okrug Nishimuro, prefektura Wakayama (Slika 2). Kabina za prenos opremljena optičkim sistemom za emitovanje laserskog snopa postavljena je na jednom kraju piste, a prijemna kabina u kojoj se nalazi-prihvatni panel postavljena je 1 kilometar dalje.
Tokom prenosa, optička os lasera je postavljena na nisku visinu od približno 1 metar iznad tla i vodoravno poravnata. Kao rezultat toga, na gredu je snažno utjecalo zagrijavanje tla i vjetar, a eksperiment je izveden u uvjetima sa jakom atmosferskom turbulencijom.
Unutar kabine za prenos generisan je laserski snop optičke snage 1035 W. Koristeći difrakcijski optički element (DOE) (Napomena 3), snop je oblikovan tako da stvori ujednačenu raspodjelu intenziteta na udaljenosti od 1 kilometra. Osim toga, korišteno je ogledalo za upravljanje snopom za precizno usmjeravanje oblikovane zrake prema prijemnoj ploči. Zraka je izlazila kroz otvor kabine za prenos i širila se preko 1 kilometra otvorenog prostora, na kraju je stigla do prijemne kabine.
Tokom širenja, atmosferska turbulencija izazvala je fluktuacije u intenzitetu zraka, stvarajući vruće tačke. Oni su raspršeni homogenizatorom u prijemnoj kabini, što je rezultiralo ujednačenim snopom koji je ozračen na prijemnu ploču. Laserski snop je tada efikasno pretvoren u električnu energiju (slika 3). Element za fotoelektričnu konverziju na bazi silikona{4}} je usvojen za prijemni panel, uzimajući u obzir i cijenu i dostupnost.
U ovom eksperimentu, prosječna električna snaga ekstrahirana iz prijemnog panela bila je 152 W (Slika 4), što odgovara efikasnosti bežičnog prijenosa energije od 15%, definiranoj kao omjer primljene električne energije i prenesene optičke snage. Ovaj rezultat označava najveću svjetsku efikasnost optičkog bežičnog prijenosa energije ikada demonstriranu korištenjem fotoelektričnog elementa za konverziju na bazi silikona{4}}u uvjetima jake atmosferske turbulencije. Nadalje, kontinuirana isporuka energije uspješno je održana 30 minuta, potvrđujući izvodljivost dugotrajnog-prenosa energije pomoću ove tehnologije.
Napomena: Iz sigurnosne perspektive, sistem optičkog prijenosa i prijemna ploča su instalirani u kabinama kako bi se spriječilo slučajno izlaganje laserskim zrakama velike{0}}snage i raspršivanje reflektirane svjetlosti.
Tehnički detalji
Tehnologija{0}}oblikovanja ravnih zraka na velike udaljenosti
Da bi se poboljšala efikasnost fotoelektrične konverzije, potrebno je ujednačiti distribuciju intenziteta snopa koji upada na element fotoelektrične konverzije.
U ovoj studiji predložili smo metodu oblikovanja snopa koja omogućava ujednačenost intenziteta nakon -prostiranja na velike udaljenosti. U ovom pristupu, vanjski dio snopa se transformiše u uzorak u obliku prstena- koristeći efekat aksikonskog sočiva (Napomena 4). Centralni dio snopa je fazno-moduliran da se širi kroz efekat konkavnog sočiva. Kako se snop širi, snop u obliku prstena- i prošireni centralni snop se postepeno preklapaju, što rezultira ujednačenom raspodjelom intenziteta na ciljnoj lokaciji, kao što je prikazano na slici 5.
Za eksperiment smo optimizirali dizajn snopa kako bismo postigli željeni profil intenziteta na udaljenosti od 1 kilometra. Oblikovanje snopa je provedeno pomoću difrakcijske optičke elemente, čime je poboljšana ujednačenost intenziteta snopa na ciljnoj poziciji udaljenoj 1 kilometar.
Tehnologija niveliranja izlazne struje
Kako se laserski snop širi kroz atmosferu, na njega utiče atmosferska turbulencija, koja remeti distribuciju intenziteta. Iako gore opisana tehnika oblikovanja ravnog-snopa može ujednačiti distribuciju intenziteta, jaka turbulencija i dalje može uzrokovati stvaranje mrlja visokog{2}}a, kao što je prikazano na slici 6.
Da bismo riješili ovaj problem, postavili smo homogenizator snopa ispred panela{0}}primanja svjetla. Homogenizator raspršuje tačke visokog{2}}intenziteta tako da se snop ravnomjerno zrači na panel. Dodatno, na svaki element fotoelektrične konverzije na prijemnom panelu su spojena nivelirna kola. Ova kola pomažu u suzbijanju fluktuacija izlazne struje uzrokovane atmosferskom turbulencijom i doprinose stabilizaciji ukupne izlazne snage.
Ove dvije tehnologije omogućavaju postizanje ujednačenosti zraka u prijenosu kilometra-, što je bilo teško s konvencionalnim metodama oblikovanja snopa, i stabilizaciju izlaza u vanjskim okruženjima. Kao rezultat toga, očekuje se da će stabilno snabdijevanje električnom energijom udaljenih lokacija kao što su izolirana ostrva i{2}}područja pogođena katastrofom postati izvodljivo.
Uloga svake kompanije
NTT: Dizajn i implementacija transmisione optike kao što su tehnike oblikovanja zraka
MHI: Dizajn i implementacija fotodetektorske optike kao što su fotodetektorski paneli, homogenizatori i kola za nivelisanje
Buduća dešavanja
Ova tehnologija omogućava efikasan i stabilan prijenos energije na velike udaljenosti čak i pod atmosferskim turbulencijama. U ovom eksperimentu silicijum je korišten kao fotonaponski element za konverziju. Međutim, korištenjem fotonaponskih uređaja posebno dizajniranih da odgovaraju talasnoj dužini laserskog svjetla, može se očekivati još veća efikasnost prijenosa energije. Osim toga, korištenje laserskih izvora svjetlosti veće izlazne snage omogućilo bi opskrbu većim količinama električne energije.
Kao rezultat toga, fleksibilna i brza isporuka energije može se postići u udaljenim područjima kao što su katastrofom{0}}pogođeni regioni i udaljena ostrva, gdje je postavljanje kablova za napajanje tradicionalno bilo teško. Osim zemaljskih aplikacija, na osnovu ove tehnologije može se zamisliti i širok spektar novih slučajeva upotrebe (Slika 7). Posebno, visoka usmjerenost i mala divergencija laserskih zraka omogućavaju dizajn kompaktnih i laganih prijemnih uređaja. Ovo je velika prednost za mobilne platforme koje se suočavaju sa strogim ograničenjima težine i nosivosti.
Na primjer, kombinovanjem ove tehnologije sa tehnikama upravljanja snopom, postaje moguće bežično isporučiti snagu dronova u letu. Ovim se izbjegavaju operativna ograničenja kao što su slijetanje radi zamjene baterije ili korištenje kablova za napajanje na vezi, omogućavajući dugo-trajnost i-dugotrajan kontinuirani rad. Takve mogućnosti mogu poboljšati{4}}nadgledanje područja katastrofe, kao i -komunikacijski prijenos širokog područja u planinskim ili pomorskim regijama, aplikacije koje je ranije bilo teško realizirati.
Osim toga, predviđaju se potencijalne primjene u svemiru, uključujući isporuku energije mobilnim platformama kao što je HAPS (High Altitude Platform Station) (Napomena 5), koja spada u opseg NTT-ovog svemirskog brenda, NTT C89 (Note6). Gledajući dalje naprijed, tehnologija bi se mogla primijeniti na napajanje svemirskih podatkovnih centara i lunarnih rovera, kao i na svemirske solarne sisteme u kojima se električna energija prenosi sa geostacionarnih satelita na zemlju putem lasera. Ove aplikacije predstavljaju područja sa jakim potencijalom za širenje tržišta.
Kroz saradnju između NTT-a i MHI-a, realizirali smo najefikasniju svjetsku lasersku bežičnu tehnologiju prijenosa energije u uvjetima pod jakim utjecajem atmosferskih fluktuacija. Ovo postignuće predstavlja značajan korak ka izgradnji inovativne tehnološke osnove koja može zadovoljiti širok spektar društvenih potreba, od odgovora na katastrofe do razvoja svemira.
