TOKIO - 17. rujna 2025 -NTT, Inc. (Sjedište: Chiyoda, Tokio; predsjednik i glavni izvršni direktor: Akira Shimada; u daljnjem tekstu "NTT") i Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. (sjedište: Chiyoda, Tokio; predsjednik i glavni izvršni direktor: Eisaku Ito; u daljnjem tekstu "MHI") proveli su eksperiment optičkog bežičnog prijenosa energije pomoću laserske zrake za bežični prijenos energije udaljen 1 kilometar. Ozračivanjem laserske zrake optičke snage 1 kW uspjeli smo primiti 152 W električne snage na 1 kilometar udaljenosti. Ovo označava najveću svjetsku učinkovitost optičkog bežičnog prijenosa energije korištenjem silikonskog fotoelektričnog pretvornog elementa (Note2) u okruženju s jakim atmosferskim turbulencijama.
Ovaj rezultat pokazuje izvedivost isporuke energije na udaljena mjesta. U budućnosti se očekuje da će se primjenjivati na-prijenos električne energije na zahtjev do udaljenih otoka i katastrofama-pogođenih područja gdje se ne mogu postaviti električni kablovi.
Ovo postignuće objavljeno je u britanskom časopisu Electronics Letters 5. kolovoza 2025. godine.
Pozadina
Posljednjih godina sve veću pozornost privlače tehnologije bežičnog prijenosa energije za uređaje poput pametnih telefona, nosivih uređaja, dronova i električnih vozila, koji mogu opskrbljivati električnom energijom bez korištenja kabela. Postoje dvije vrste bežičnih sustava za prijenos energije: jedan koristi mikrovalove, a drugi koristi laserske zrake. Mikrovalni bežični prijenos energije već je u praktičnoj primjeni i njegova je uporaba sve veća. S druge strane, optički bežični prijenos energije pomoću laserske zrake nije stavljen u praktičnu upotrebu, ali se očekuje da će se ostvariti kompaktni bežični prijenos energije na velike{3}}udaljenosti reda veličine kilometara iskorištavanjem prednosti visoke usmjerenosti laserske zrake (Slika 1).
Budući izgledi predviđaju razvoj infrastrukture sljedeće-generacije koja može opskrbljivati strujom i proširiti komunikacijsku pokrivenost u situacijama i regijama gdje su električne ili komunikacijske mreže nedostupne, kao što su tijekom katastrofa, na udaljenim otocima, planinskim područjima ili na moru. To uključuje isporuku energije točno određenim područjima ili pokretnim platformama kao što su dronovi. Postizanje tako vrlo precizne i-isporuke energije na velike udaljenosti zahtijeva bežični prijenos energije-zasnovan na laseru koji iskorištava svoju jaku usmjerenost.
Izazovi postojećih tehnologija i postignuća ovog eksperimenta
Učinkovitost tehnologije optičkog bežičnog prijenosa energije općenito je niska, a poboljšanje učinkovitosti pitanje je za praktičnu upotrebu. Jedan od razloga za to je taj -da se laserska zraka širi na velike udaljenosti, posebno u atmosferi, distribucija intenziteta postaje neravnomjerna, a učinkovitost pretvaranja laserske zrake u električnu energiju u elementu za fotoelektričnu konverziju postaje niska.
U ovom smo eksperimentu kombinirali NTT-ovu tehnologiju oblikovanja snopa s MHI-jevom tehnologijom primanja svjetlosti kako bismo poboljšali učinkovitost laserskog bežičnog prijenosa energije. Proveli smo-eksperiment 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 širenja od 1 kilometra i tehnologiju izravnavanja izlazne struje koja suzbija utjecaj atmosferskih fluktuacija s homogenizatorom i krugovima za izravnavanje na prijemnoj strani.
Od siječnja do veljače 2025. proveli smo eksperiment optičkog bežičnog prijenosa energije na pisti zračne luke Nanki-Shirahama u gradu Shirahama, okrug Nishimuro, prefektura Wakayama (slika 2). Na jednom kraju uzletno-sletne staze postavljena je prijenosna kabina opremljena optičkim sustavom za emitiranje laserske zrake, a 1 kilometar dalje postavljena je prijamna kabina sa svjetlosnom-prijamnom pločom.
Tijekom prijenosa, optička os lasera postavljena je na nisku visinu od otprilike 1 metar iznad tla i vodoravno poravnata. Zbog toga je greda bila pod jakim utjecajem zagrijavanja tla i vjetra, a eksperiment je proveden u uvjetima jake atmosferske turbulencije.
Unutar prijenosne kabine generirana je laserska zraka optičke snage 1035 W. Korištenjem difrakcijskog optičkog elementa (DOE) (Napomena 3), zraka je oblikovana da stvori jednoliku distribuciju intenziteta na udaljenosti od 1 kilometra. Uz to, korišteno je ogledalo za usmjeravanje snopa za precizno usmjeravanje oblikovanog snopa prema prihvatnoj ploči. Zraka je izašla kroz otvor prijenosne kabine i proširila se preko 1 kilometra otvorenog prostora, naposljetku dospjevši do prijamne kabine.
Tijekom širenja, atmosferske turbulencije uzrokovale su fluktuacije u intenzitetu zrake, stvarajući vruće točke. Oni su raspršeni pomoću homogenizatora u prijamnoj kabini, što je rezultiralo jednolikom zrakom koja je ozračena na prijemnu ploču. Laserska zraka je zatim učinkovito pretvorena u električnu energiju (Slika 3). Fotoelektrični pretvorbeni element-na bazi silicija usvojen je za prijemnu ploču, uzimajući u obzir i cijenu i dostupnost.
U ovom eksperimentu, prosječna električna snaga izvučena iz prijemne ploče bila je 152 W (slika 4), što odgovara učinkovitosti bežičnog prijenosa energije od 15%, definiranoj kao omjer primljene električne energije i odaslane optičke snage. Ovaj rezultat označava najveću svjetsku učinkovitost optičkog bežičnog prijenosa energije ikad pokazanu uporabom fotoelektričnog pretvornog elementa-na bazi silicija u uvjetima jake atmosferske turbulencije. Nadalje, kontinuirana isporuka energije uspješno je održavana 30 minuta, potvrđujući izvedivost dugotrajnog-prijenosa energije pomoću ove tehnologije.
Napomena: Iz sigurnosne perspektive, sustav optičkog prijenosa i prijemna ploča instalirani su unutar kabina kako bi se spriječilo slučajno izlaganje-laserskim zrakama velike snage i raspršenje reflektirane svjetlosti.
Tehnički naglasci
Te-tehnologija oblikovanja ravnog snopa na velikim udaljenostima
Kako bi se poboljšala učinkovitost fotoelektrične pretvorbe, potrebno je učiniti distribuciju intenziteta snopa koji pada na element fotoelektrične pretvorbe ravnomjernom.
U ovoj smo studiji predložili metodu oblikovanja snopa koja omogućuje ujednačenost intenziteta nakon-širenja na velike udaljenosti. U ovom pristupu, vanjski dio snopa transformira se u prstenasti -uzorak pomoću učinka aksikon leće (Napomena 4). Središnji dio snopa je fazno-moduliran da se širi kroz učinak konkavne leće. Kako se zraka širi, prstenasta-zraka i proširena središnja zraka postupno se preklapaju, što rezultira ravnomjernom 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 provedeno je pomoću difrakcijskog optičkog elementa, čime je poboljšana ujednačenost intenziteta snopa na ciljnoj poziciji udaljenoj 1 kilometar.
Tehnologija izravnavanja izlazne struje
Dok se laserska zraka širi kroz atmosferu, na nju utječu atmosferske turbulencije koje remete raspodjelu intenziteta. Iako gore opisana tehnika-oblikovanja ravnog snopa može ujednačiti distribuciju intenziteta, snažna turbulencija još uvijek može uzrokovati stvaranje mrlja visokog-intenziteta, kao što je prikazano na slici 6.
Kako bismo riješili ovaj problem, postavili smo homogenizator snopa ispred ploče-za primanje svjetla. Homogenizator raspršuje mrlje visokog-intenziteta tako da je zraka ravnomjerno ozračena na ploču. Osim toga, krugovi za izravnavanje bili su spojeni na svaki fotoelektrični pretvorbeni element na prijemnoj ploči. Ovi krugovi pomažu u suzbijanju fluktuacija izlazne struje uzrokovane atmosferskim turbulencijama i doprinose stabilizaciji ukupne izlazne snage.
Ove dvije tehnologije omogućuju postizanje ujednačenosti snopa u prijenosu reda -kilometrima, što je bilo teško s konvencionalnim metodama oblikovanja snopa, i stabiliziranje izlaza u vanjskim okruženjima. Kao rezultat toga, očekuje se da će postati izvedivo stabilno napajanje udaljenih lokacija kao što su izolirani otoci i-pogođena područja.
Uloga svake tvrtke
NTT: Dizajn i implementacija prijenosne optike kao što su tehnike oblikovanja snopa
MHI: Dizajn i implementacija optike fotodetektora kao što su ploče fotodetektora, homogenizatori i krugovi za izravnavanje
Budući razvoj događaja
Ova tehnologija omogućuje učinkovit i stabilan prijenos energije na velike udaljenosti čak i pod atmosferskim turbulencijama. U ovom eksperimentu, silicij je korišten kao fotonaponski pretvorbeni element. Međutim, upotrebom fotonaponskih uređaja posebno dizajniranih da odgovaraju valnoj duljini laserskog svjetla, može se očekivati još veća učinkovitost prijenosa energije. Osim toga, korištenje laserskih izvora svjetlosti veće izlazne snage omogućilo bi opskrbu većih količina električne energije.
Kao rezultat toga, može se postići fleksibilna i brza isporuka električne energije u udaljenim područjima kao što su-pogođene regije katastrofom i udaljeni otoci, gdje je postavljanje energetskih kabela tradicionalno bilo teško. Osim zemaljskih aplikacija, na temelju ove tehnologije također se može zamisliti širok raspon novih slučajeva uporabe (Slika 7). Značajno je da visoka usmjerenost i mala divergencija laserskih zraka omogućuju dizajn kompaktnih i laganih prijamnih uređaja. Ovo je velika prednost za mobilne platforme koje se suočavaju sa strogim ograničenjima u težini i nosivosti.
Na primjer, kombiniranjem ove tehnologije s tehnikama upravljanja snopom, postaje moguće bežično isporučiti energiju bespilotnim letjelicama u letu. Time se izbjegavaju radna ograničenja kao što je slijetanje radi zamjene baterije ili upotreba privezanih kabela za napajanje, što omogućuje dugo-trajanje i kontinuirani-udaljenost rada. Takve mogućnosti mogu poboljšati nadzor-područja katastrofe kao i-komunikacijski prijenos širokog područja u planinskim ili morskim regijama, aplikacije koje je prije bilo teško realizirati.
Osim toga, očekuju se potencijalne primjene u svemiru, uključujući isporuku energije mobilnim platformama kao što je HAPS (High Altitude Platform Station) (Note5), koja spada u opseg NTT-ovog svemirskog brenda, NTT C89 (Note6). Gledajući dalje, tehnologija bi se mogla primijeniti za napajanje svemirskih podatkovnih centara i lunarnih rovera, kao i za svemirske solarne energetske sustave u kojima se električna energija prenosi s geostacionarnih satelita na tlo putem lasera. Ove aplikacije predstavljaju područja s velikim potencijalom za širenje tržišta.
Kroz suradnju između NTT-a i MHI-a, realizirali smo najučinkovitiju svjetsku lasersku bežičnu tehnologiju prijenosa energije u uvjetima pod jakim utjecajem atmosferskih fluktuacija. Ovo postignuće predstavlja značajan korak prema izgradnji inovativne tehnološke osnove koja može zadovoljiti širok raspon društvenih potreba, od odgovora na katastrofe do razvoja svemira.
