TOKIJAS - rugsėjo 17 d., 2025 -NTT, Inc. (būstinė: Chiyoda, Tokijas; prezidentas ir generalinis direktorius: Akira Shimada; toliau "NTT") ir "Mitsubishi Heavy Industries, Ltd." (būstinė: Chiyoda, Tokijas; prezidentas ir generalinis direktorius: Eisaku Ito; toliau "MHI") atliko eksperimentą belaidžiu lazeriu belaidžiu energijos perdavimo būdu. Apšvitinus 1 kW optinės galios lazerio spindulį, už 1 kilometro pavyko gauti 152 W elektros galią. Tai rodo didžiausią pasaulyje optinio belaidžio energijos perdavimo efektyvumą naudojant silicio fotoelektrinį konversijos elementą (2 pastaba) aplinkoje, kurioje stipri atmosferos turbulencija.
Šis rezultatas parodo energijos tiekimo į tolimas vietas galimybes. Ateityje tikimasi, kad jis bus pritaikytas elektros energijos perdavimui pagal pareikalavimą į atokias salas ir stichinių nelaimių{2}}nukentėjusias vietoves, kuriose negalima įrengti maitinimo kabelių.
Šis pasiekimas buvo paskelbtas britų žurnale Electronics Letters 2025 m. rugpjūčio 5 d.
Fonas
Pastaraisiais metais vis daugiau dėmesio sulaukia belaidžio energijos perdavimo technologijos, skirtos tokiems įrenginiams kaip išmanieji telefonai, nešiojami įrenginiai, dronai ir elektromobiliai, galintys tiekti elektrą nenaudodami laidų. Yra dviejų tipų belaidės energijos perdavimo sistemos: vienos naudoja mikrobangų krosneles, o kitos – lazerio spindulius. Mikrobangų belaidis energijos perdavimas jau praktiškai naudojamas ir jo naudojimas plečiasi. Kita vertus, optinis belaidis energijos perdavimas naudojant lazerio spindulį praktiškai nebuvo pritaikytas, tačiau tikimasi, kad naudojant didelį lazerio spindulio kryptingumą bus galima pasiekti kompaktišką ilgo-atstumo belaidį energijos perdavimą maždaug kilometrais (1 pav.).
Ateities perspektyvos numato naujos-kartos infrastruktūros, galinčios tiekti energiją ir išplėsti ryšio aprėptį, kūrimą situacijose ir regionuose, kur nėra elektros ar ryšio tinklų, pvz., per nelaimes, atokiose salose, kalnuotose vietovėse ar jūroje. Tai apima energijos tiekimą tiksliai konkrečioms vietoms arba judančioms platformoms, pvz., dronams. Norint pasiekti tokį labai tikslų ir ilgą-atstumą energijos tiekimą, reikia lazeriu-pagrįsto belaidžio energijos perdavimo, kuris išnaudoja stiprią kryptingumą.
Esamų technologijų iššūkiai ir šio eksperimento pasiekimai
Optinio belaidžio energijos perdavimo technologijos efektyvumas paprastai yra mažas, o efektyvumo didinimas yra praktinio naudojimo problema. Viena iš to priežasčių yra ta, kad kai lazerio spindulys sklinda toli, ypač atmosferoje, intensyvumo pasiskirstymas tampa netolygus, o lazerio spindulio pavertimo elektros energija efektyvumas fotoelektrinio konversijos elemente sumažėja.
Šiame eksperimente mes sujungėme NTT spindulių formavimo technologiją su MHI šviesos priėmimo technologija, kad pagerintume belaidžio lazerinio energijos perdavimo efektyvumą. Mes atlikome ilgo-atstumo optinio belaidžio energijos perdavimo eksperimentą lauko aplinkoje, naudodami ilgo-atstumo plokščio pluošto formavimo technologiją, kuri formuoja pluoštą perdavimo pusėje, kad būtų vienodas pluošto intensyvumas po 1 kilometro sklidimo, ir išėjimo srovės niveliavimo technologiją, kuri slopina atmosferos svyravimų įtaką homogenizatoriaus ir niveliavimo grandinėms.
2025 m. sausio–vasario mėn. atlikome optinio belaidžio energijos perdavimo eksperimentą ant kilimo ir tūpimo tako Nanki{1}}Shirahama oro uosto Shirahama mieste, Nishimuro rajone, Vakayamos prefektūroje (2 pav.). Viename kilimo ir tūpimo tako gale buvo įrengta perdavimo kabina su optine lazerio spindulio spinduliavimo sistema, o už 1 kilometro buvo įrengta priėmimo kabina su šviesos -priėmimo skydeliu.
Perdavimo metu lazerio optinė ašis buvo nustatyta mažame, maždaug 1 metro aukštyje, virš žemės ir išlygiuota horizontaliai. Dėl to spindulį stipriai paveikė žemės šildymas ir vėjas, o eksperimentas buvo atliktas esant stipriai atmosferos turbulencijai.
Perdavimo kabinos viduje buvo sukurtas 1035 W optinės galios lazerio spindulys. Naudojant difrakcinį optinį elementą (DOE) (3 pastaba), spindulys buvo suformuotas taip, kad būtų sukurtas vienodas intensyvumo pasiskirstymas 1 kilometro atstumu. Be to, siekiant tiksliai nukreipti suformuotą spindulį į priėmimo skydelį, buvo naudojamas šviesos valdomas veidrodis. Spindulys išėjo per perdavimo kabinos angą ir pasklido per 1 kilometrą atviros erdvės, galiausiai pasiekdamas priėmimo kabiną.
Sklidimo metu atmosferos turbulencija sukėlė pluošto intensyvumo svyravimus, sukurdami karštus taškus. Jie buvo išsklaidyti priėmimo kabinoje esančiu homogenizatoriumi, todėl priėmimo skydas buvo apšvitintas vienodu spinduliu. Tada lazerio spindulys buvo efektyviai paverstas elektros energija (3 pav.). Priėmimo skydelyje buvo pritaikytas silicio{4}}pagrįstas fotoelektrinis konversijos elementas, atsižvelgiant į kainą ir prieinamumą.
Šiame eksperimente vidutinė elektros galia, išgauta iš priimančiosios plokštės, buvo 152 W (4 pav.), o tai atitinka 15% belaidžio energijos perdavimo efektyvumą, apibrėžtą kaip gautos elektros galios ir perduodamos optinės galios santykį. Šis rezultatas žymi aukščiausią pasaulyje optinio belaidžio energijos perdavimo efektyvumą, kada nors įrodytą naudojant silicio-pagrįstą fotoelektrinį konversijos elementą stiprios atmosferos turbulencijos sąlygomis. Be to, nenutrūkstamas energijos tiekimas buvo sėkmingai išlaikytas 30 minučių, o tai patvirtina, kad naudojant šią technologiją galima ilgai{7}}perduoti energiją.
Pastaba: saugos požiūriu optinio perdavimo sistema ir priėmimo skydelis buvo sumontuoti kabinose, kad būtų išvengta atsitiktinio didelės{0} galios lazerio spindulių poveikio ir atspindėtos šviesos sklaidos.
Techniniai akcentai
Ilgo{0}}plokščio spindulio formavimo technologija
Norint pagerinti fotoelektrinės konversijos efektyvumą, būtina vienodai pasiskirstyti spindulio, krentančio į fotoelektrinį konversijos elementą, intensyvumo pasiskirstymą.
Šiame tyrime pasiūlėme pluošto formavimo metodą, kuris įgalina intensyvumo vienodumą po ilgo sklidimo{0}}atstumo. Taikant šį metodą, išorinė spindulio dalis paverčiama žiedo -formos raštu, naudojant ašinio lęšio efektą (4 pastaba). Centrinė spindulio dalis yra faziškai{5}}moduliuojama, kad išsiplėstų įgaubto lęšio dėka. Kai pluoštas sklinda, žiedo formos spindulys ir išplėstas centrinis spindulys palaipsniui persidengia, todėl tikslinėje vietoje intensyvumas pasiskirsto tolygiai, kaip parodyta 5 paveiksle.
Eksperimentui optimizavome sijos konstrukciją, kad pasiektume norimą intensyvumo profilį 1 kilometro atstumu. Spindulio formavimas buvo įgyvendintas naudojant difrakcinį optinį elementą, kuris pagerino pluošto intensyvumo vienodumą tikslinėje padėtyje, esančioje už 1 kilometro.
Išėjimo srovės išlyginimo technologija
Lazerio spinduliui sklindant per atmosferą, jį veikia atmosferos turbulencija, kuri sutrikdo intensyvumo pasiskirstymą. Nors aukščiau aprašyta plokščio -spindulio formavimo technika gali vienodinti intensyvumo pasiskirstymą, stipri turbulencija vis tiek gali sukelti didelio intensyvumo dėmių susidarymą, kaip parodyta 6 paveiksle.
Kad išspręstume šią problemą, priešais šviesos{0}}priėmimo skydelį įdėjome pluošto homogenizatorių. Homogenizatorius išsklaido didelio-intensyvumo dėmes, kad spindulys būtų tolygiai apšvitintas ant skydo. Be to, prie kiekvieno priėmimo skydelio fotoelektrinio konversijos elemento buvo prijungtos išlyginimo grandinės. Šios grandinės padeda slopinti išėjimo srovės svyravimus, kuriuos sukelia atmosferos turbulencija, ir padeda stabilizuoti bendrą išėjimo galią.
Šios dvi technologijos leidžia pasiekti vienodą spindulio{0}}pradavimą, o tai buvo sudėtinga naudojant įprastinius pluošto formavimo metodus, ir stabilizuoti išvestį lauko aplinkoje. Dėl to tikimasi, kad bus įmanomas stabilus elektros tiekimas atokiose vietose, pvz., izoliuotose salose ir nelaimės paveiktose{2}}vietovėse.
Kiekvienos įmonės vaidmuo
NTT: perdavimo optikos, pvz., pluošto formavimo technikos, projektavimas ir įgyvendinimas
MHI: Fotodetektorių optikos, tokios kaip fotodetektorių plokštės, homogenizatoriai ir niveliavimo grandinės, projektavimas ir įgyvendinimas
Būsimi pokyčiai
Ši technologija leidžia efektyviai ir stabiliai perduoti energiją dideliais atstumais net esant atmosferos turbulencijai. Šiame eksperimente silicis buvo naudojamas kaip fotovoltinės konversijos elementas. Tačiau naudojant fotovoltinius įrenginius, specialiai sukurtus taip, kad jie atitiktų lazerio šviesos bangos ilgį, galima tikėtis dar didesnio energijos perdavimo efektyvumo. Be to, naudojant didesnės išėjimo galios lazerinius šviesos šaltinius, būtų galima tiekti didesnį elektros energijos kiekį.
Dėl to lankstus ir greitas energijos tiekimas gali būti pasiektas atokiose vietovėse, pvz.,{0}}nelaimės ištiktuose regionuose ir atokiose salose, kur maitinimo kabelių įrengimas tradiciškai buvo sunkus. Be antžeminių programų, remiantis šia technologija, galima numatyti daugybę naujų naudojimo atvejų (7 pav.). Pažymėtina, kad didelis lazerio spindulių kryptingumas ir mažas divergencija leidžia sukurti kompaktiškus ir lengvus priėmimo įrenginius. Tai yra didelis privalumas mobiliosioms platformoms, kurios susiduria su griežtais svorio ir naudingosios apkrovos apribojimais.
Pavyzdžiui, derinant šią technologiją su spindulio valdymo technika, atsiranda galimybė belaidžiu būdu tiekti galią bepiločiams skrydžiams. Taip išvengiama eksploatacinių suvaržymų, tokių kaip nusileidimas keičiant bateriją arba naudojant pririštus maitinimo kabelius, leidžiančius veikti ilgą-ir ilgą{2}}atstumą. Tokios galimybės gali pagerinti nelaimių{4}}zonų stebėjimą, taip pat plataus-rajono ryšio perdavimą kalnuotuose ar jūriniuose regionuose – programas, kurias anksčiau buvo sunku įgyvendinti.
Be to, numatomas potencialus pritaikymas kosmose, įskaitant energijos tiekimą į mobiliąsias platformas, tokias kaip HAPS (didelio aukščio platformos stotis) (5 pastaba), kuri priklauso NTT kosmoso prekės ženklo NTT C89 (6 pastaba). Žvelgiant į tolesnę ateitį, ši technologija galėtų būti pritaikyta maitinti kosmoso duomenų centrus ir Mėnulio roverius, taip pat kosmoso saulės energijos sistemas, kuriose elektra iš geostacionarių palydovų į žemę perduodama lazeriu. Šios programos yra sritys, turinčios didelį rinkos plėtros potencialą.
Bendradarbiaudami NTT ir MHI sukūrėme efektyviausią pasaulyje lazerinio belaidžio energijos perdavimo technologiją sąlygomis, kurias stipriai veikia atmosferos svyravimai. Šis pasiekimas yra reikšmingas žingsnis kuriant novatorišką technologinį pagrindą, galintį patenkinti įvairius visuomenės poreikius – nuo reagavimo į nelaimes iki kosmoso plėtros.
