TOKIJA - 17. septembris, 2025 -NTT, Inc. (galvenā mītne: Chiyoda, Tokija; prezidents un izpilddirektors: Akira Shimada; turpmāk tekstā "NTT") un Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. (galvenā mītne: Chiyoda, Tokija; prezidents un izpilddirektors: Eisaku Ito; turpmāk "MHI") veica eksperimentu, izmantojot lāzera enerģijas kilometri, lai pārraidītu bezvadu enerģiju, izmantojot optisko bezvadu enerģijas pārraidi. Apstarojot lāzera staru ar 1 kW optisko jaudu, 1 kilometra attālumā izdevās saņemt 152 W elektrisko jaudu. Tas iezīmē pasaulē augstāko optiskās bezvadu jaudas pārraides efektivitāti, izmantojot silīcija fotoelektrisko pārveidošanas elementu (2. piezīme) vidē ar spēcīgu atmosfēras turbulenci.
Šis rezultāts parāda, ka ir iespējams piegādāt enerģiju attālām vietām. Paredzams, ka nākotnē tas tiks izmantots elektroenerģijas pārvadei pēc pieprasījuma uz attālām salām un katastrofu{2}}piedzīvotajiem apgabaliem, kur nevar uzstādīt strāvas kabeļus.
Šis sasniegums tika publicēts britu žurnālā Electronics Letters 2025. gada 5. augustā.
Fons
Pēdējos gados arvien lielāku uzmanību ir izpelnījušas bezvadu jaudas pārraides tehnoloģijas tādām ierīcēm kā viedtālruņi, valkājamas ierīces, drons un elektriskie transportlīdzekļi, kas var nodrošināt elektrību, neizmantojot kabeļus. Ir divu veidu bezvadu jaudas pārraides sistēmas: viena izmanto mikroviļņus, bet otra izmanto lāzera starus. Mikroviļņu bezvadu jaudas pārraide jau tiek praktiski izmantota, un tās izmantošana paplašinās. No otras puses, optiskā bezvadu jaudas pārraide, izmantojot lāzera staru, praktiski nav izmantota, taču paredzams, ka tā realizēs kompaktu tālsatiksmes bezvadu enerģijas pārraidi kilometros, izmantojot lāzera stara lielo virzienu (1. attēls).
Nākotnes perspektīvas paredz izstrādāt nākamās -paaudzes infrastruktūru, kas spēj nodrošināt enerģiju un paplašināt sakaru pārklājumu situācijās un reģionos, kur nav pieejami elektrības vai sakaru tīkli, piemēram, katastrofu laikā, attālās salās, kalnu apgabalos vai jūrā. Tas ietver precīzu jaudas piegādi noteiktām zonām vai kustīgām platformām, piemēram, droniem. Lai panāktu tik ļoti precīzu un lielu-jaudu padevi no attāluma, ir nepieciešama lāzera-vada bezvadu enerģijas pārraide, kas izmanto tās spēcīgās virziena priekšrocības.
Esošo tehnoloģiju izaicinājumi un šī eksperimenta sasniegumi
Optiskās bezvadu jaudas pārraides tehnoloģijas efektivitāte parasti ir zema, un efektivitātes uzlabošana ir praktiskas lietošanas jautājums. Viens no iemesliem ir tas, ka, izplatoties tālu-lāzera staram, it īpaši atmosfērā, intensitātes sadalījums kļūst nevienmērīgs un lāzera stara pārvēršanas elektroenerģijā efektivitāte fotoelektriskajā pārveidošanas elementā kļūst zema.
Šajā eksperimentā mēs apvienojām NTT staru veidošanas tehnoloģiju ar MHI gaismas uztveršanas tehnoloģiju, lai uzlabotu lāzera bezvadu enerģijas pārraides efektivitāti. Mēs veicām liela-attāluma optiskās bezvadu enerģijas pārraides eksperimentu āra vidē, izmantojot liela attāluma plakano staru kūļa veidošanas tehnoloģiju, kas veido staru kūli pārraides pusē, lai panāktu vienmērīgu staru kūļa intensitāti pēc 1 kilometra izplatīšanās, un izejas strāvas izlīdzināšanas tehnoloģiju, kas nomāc atmosfēras svārstību ietekmi uz uztveršanas puses homogenizatora un izlīdzināšanas ķēdēm.
No 2025. gada janvāra līdz februārim mēs veicām optiskās bezvadu enerģijas pārraides eksperimentu uz skrejceļa Nanki-Širahamas lidostā Širahamas pilsētā, Nišimuro apgabalā, Vakajamas prefektūrā (2. attēls). Vienā skrejceļa galā tika uzstādīta pārraides kabīne, kas aprīkota ar optisko sistēmu lāzera staru izstarošanai, un 1 kilometra attālumā tika novietota uztveršanas kabīne ar gaismas -uztveršanas paneli.
Pārraides laikā lāzera optiskā ass tika iestatīta zemā augstumā aptuveni 1 metru virs zemes un izlīdzināta horizontāli. Rezultātā staru kūli spēcīgi ietekmēja zemes apkure un vējš, un eksperiments tika veikts apstākļos ar spēcīgu atmosfēras turbulenci.
Transmisijas kabīnes iekšpusē tika ģenerēts lāzera stars ar optisko jaudu 1035 W. Izmantojot difrakcijas optisko elementu (DOE) (3. piezīme), stars tika veidots tā, lai izveidotu vienmērīgu intensitātes sadalījumu 1 kilometra attālumā. Turklāt tika izmantots staru stūres spogulis, lai precīzi novirzītu formas staru uz uztveršanas paneli. Stars izgāja caur pārraides kabīnes apertūru un izplatījās pa 1 kilometru atklātas telpas, galu galā sasniedzot uztveršanas kabīni.
Izplatīšanās laikā atmosfēras turbulence izraisīja staru kūļa intensitātes svārstības, radot karstos punktus. Tos izkliedēja homogenizators uzņemšanas kabīnē, kā rezultātā uz uztveršanas paneļa tika apstarots vienmērīgs stars. Pēc tam lāzera stars tika efektīvi pārveidots par elektroenerģiju (3. attēls). Uztvērēja panelim tika izmantots silīcija-balstīts fotoelektrisks pārveidošanas elements, ņemot vērā gan izmaksas, gan pieejamību.
Šajā eksperimentā vidējā elektriskā jauda, kas iegūta no uztverošā paneļa, bija 152 W (4. attēls), kas atbilst bezvadu jaudas pārraides efektivitātei 15%, kas definēta kā saņemtās elektriskās jaudas attiecība pret pārraidīto optisko jaudu. Šis rezultāts iezīmē pasaulē augstāko optiskās bezvadu jaudas pārraides efektivitāti, kas jebkad pierādīta, izmantojot silīcija-balstītu fotoelektrisko pārveidošanas elementu spēcīgas atmosfēras turbulences apstākļos. Turklāt nepārtraukta jaudas padeve tika veiksmīgi uzturēta 30 minūtes, apstiprinot ilgstošas-elektrības pārvades iespējamību, izmantojot šo tehnoloģiju.
Piezīme. No drošības viedokļa gan optiskā pārraides sistēma, gan uztveršanas panelis tika uzstādīti kabīnēs, lai novērstu nejaušu lielas -jaudas lāzera staru iedarbību un atstarotās gaismas izkliedi.
Tehniskie akcenti
Plakanu siju veidošanas tehnoloģija no liela attāluma-
Lai uzlabotu fotoelektriskās pārveidošanas efektivitāti, ir jāpadara vienmērīgs staru kūļa intensitātes sadalījums, kas krīt uz fotoelektrisko pārveidošanas elementu.
Šajā pētījumā mēs piedāvājām staru kūļa veidošanas metodi, kas nodrošina intensitātes viendabīgumu pēc lielas{0}}attāluma izplatīšanās. Šajā pieejā staru kūļa ārējā daļa tiek pārveidota par gredzenveida rakstu, izmantojot aksikona lēcas efektu (4. piezīme). Stara centrālā daļa ir fāzē{5}}modulēta, lai izplestos, izmantojot ieliektu lēcu. Staram izplatoties, gredzenveida -formas stars un paplašinātais centrālais stars pakāpeniski pārklājas, kā rezultātā mērķa vietā tiek iegūts vienmērīgs intensitātes sadalījums, kā parādīts 5. attēlā.
Eksperimentam mēs optimizējām staru kūļa dizainu, lai sasniegtu vēlamo intensitātes profilu 1 kilometra attālumā. Stara veidošana tika realizēta, izmantojot difrakcijas optisko elementu, kas uzlaboja staru kūļa intensitātes vienmērīgumu mērķa pozīcijā, kas atrodas 1 kilometra attālumā.
Izejas strāvas izlīdzināšanas tehnoloģija
Lāzera staram izplatoties atmosfērā, to ietekmē atmosfēras turbulence, kas traucē intensitātes sadalījumu. Lai gan iepriekš aprakstītā plakanā-staru veidošanas metode var vienmērīgi izlīdzināt intensitātes sadalījumu, spēcīga turbulence joprojām var izraisīt augstas intensitātes plankumu veidošanos, kā parādīts 6. attēlā.
Lai atrisinātu šo problēmu, gaismas{0}}uztvērēja paneļa priekšā novietojām staru homogenizatoru. Homogenizators izkliedē augstas-intensitātes plankumus, lai stars tiktu vienmērīgi apstarots uz paneļa. Turklāt katram uztverošā paneļa fotoelektriskās pārveidošanas elementam tika pievienotas izlīdzināšanas shēmas. Šīs shēmas palīdz nomākt izejas strāvas svārstības, ko izraisa atmosfēras turbulence, un palīdz stabilizēt kopējo jaudu.
Šīs divas tehnoloģijas ļauj sasniegt staru viendabīgumu kilometros{0}}pārraides secībā, kas bija grūti, izmantojot parastās staru kūļa veidošanas metodes, un stabilizēt izvadi āra vidē. Rezultātā ir sagaidāms, ka būs iespējams nodrošināt stabilu elektroenerģijas piegādi attālām vietām, piemēram, izolētām salām un katastrofu{2}}skartajiem apgabaliem.
Katra uzņēmuma loma
NTT: pārraides optikas, piemēram, staru kūļa veidošanas tehnikas, projektēšana un ieviešana
MHI: fotodetektoru optikas, piemēram, fotodetektoru paneļu, homogenizatoru un izlīdzināšanas ķēžu projektēšana un ieviešana
Nākotnes attīstība
Šī tehnoloģija nodrošina efektīvu un stabilu enerģijas pārraidi lielos attālumos pat atmosfēras turbulences apstākļos. Šajā eksperimentā kā fotoelementu pārveidošanas elements tika izmantots silīcijs. Tomēr, izmantojot fotoelektriskās ierīces, kas īpaši izstrādātas, lai atbilstu lāzera gaismas viļņa garumam, var sagaidīt vēl augstāku jaudas pārvades efektivitāti. Turklāt, izmantojot lāzera gaismas avotus ar lielāku izejas jaudu, būtu iespējams piegādāt lielāku elektroenerģijas daudzumu.
Rezultātā elastīgu un ātru strāvas padevi var nodrošināt attālos apgabalos, piemēram, katastrofu{0}}piedzīvotajos reģionos un attālās salās, kur strāvas kabeļu uzstādīšana tradicionāli ir bijusi sarežģīta. Papildus sauszemes lietojumiem, pamatojoties uz šo tehnoloģiju, var paredzēt arī plašu jaunu lietošanas gadījumu klāstu (7. attēls). Proti, lāzera staru lielā virzība un zemā diverģence ļauj izveidot kompaktas un vieglas uztveršanas ierīces. Tā ir liela priekšrocība mobilajām platformām, kas saskaras ar stingriem svara un kravnesības ierobežojumiem.
Piemēram, apvienojot šo tehnoloģiju ar staru kūļa vadīšanas paņēmieniem, kļūst iespējams bezvadu režīmā piegādāt jaudu bezpilota lidaparātiem lidojuma laikā. Tas ļauj izvairīties no darbības ierobežojumiem, piemēram, nolaišanās akumulatora nomaiņai vai piesietu barošanas kabeļu izmantošanas, nodrošinot ilgstošu-ilgumu un lielu{2}}pārtrauktu darbību. Šādas iespējas var uzlabot katastrofu{4}}apgabala uzraudzību, kā arī plašā-apgabala sakaru releju kalnainos vai jūras reģionos — lietojumprogrammas, kuras iepriekš bija grūti realizēt.
Turklāt ir sagaidāms potenciāls lietojums kosmosā, tostarp enerģijas piegāde mobilajām platformām, piemēram, HAPS (augsta augstuma platformas stacija) (5. piezīme), kas ietilpst NTT kosmosa zīmola NTT C89 (6. piezīme) darbības jomā. Raugoties tālākā nākotnē, šo tehnoloģiju varētu izmantot kosmosa datu centru un Mēness roveru darbināšanai, kā arī kosmosa saules enerģijas sistēmām, kurās elektroenerģiju no ģeostacionāriem satelītiem pārsūta uz zemi, izmantojot lāzeru. Šīs lietojumprogrammas ir jomas ar spēcīgu tirgus paplašināšanās potenciālu.
Sadarbojoties NTT un MHI, mēs esam realizējuši pasaulē visefektīvāko lāzera bezvadu jaudas pārsūtīšanas tehnoloģiju apstākļos, kurus spēcīgi ietekmē atmosfēras svārstības. Šis sasniegums ir nozīmīgs solis ceļā uz novatoriska tehnoloģiskā pamata izveidi, kas spēj apmierināt dažādas sabiedrības vajadzības, sākot no reaģēšanas uz katastrofām un beidzot ar kosmosa attīstību.
