TOKYO - 17. september 2025 -NTT, Inc. (peakontor: Chiyoda, Tokyo; president ja tegevjuht: Akira Shimada; edaspidi "NTT") ja Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. (peakontor: Chiyoda, Tokyo; president ja tegevjuht: Eisaku Ito; edaspidi "MHI") viisid läbi eksperimendi, kasutades optilist energiat kilomeeter, et edastada juhtmevabalt juhtmevabalt energiat. Kiiritades laserkiirt optilise võimsusega 1 kW, õnnestus meil 1 kilomeetri kaugusel vastu võtta 152 W elektrivõimsust. See tähistab ränist fotoelektrilist muunduselementi (Note2) kasutava optilise juhtmevaba jõuülekande maailma kõrgeimat efektiivsust tugeva atmosfääri turbulentsiga keskkonnas.
See tulemus näitab elektrienergia tarnimise teostatavust kaugematesse kohtadesse. Tulevikus loodetakse seda rakendada-nõudlusel elektriülekandel kaugematele saartele ja katastroofi{2}}piirkondadele, kuhu ei saa paigaldada toitekaableid.
See saavutus avaldati 5. augustil 2025 Briti ajakirjas Electronics Letters.
Taust
Viimastel aastatel on üha enam tähelepanu pälvinud juhtmevaba jõuülekande tehnoloogiad sellistele seadmetele nagu nutitelefonid, kantavad seadmed, droonid ja elektrisõidukid, mis suudavad toita elektrit kaableid kasutamata. Juhtmeta jõuülekandesüsteeme on kahte tüüpi: üks kasutab mikrolaineid ja teine laserkiiri. Mikrolaine juhtmevaba jõuülekanne on juba praktilises kasutuses ja selle kasutusala laieneb. Teisest küljest ei ole laserkiirt kasutavat optilist juhtmeta jõuülekannet praktiliselt kasutusele võetud, kuid eeldatakse, et laserkiire suurt suunatavust ära kasutades saavutab see kompaktse pika-kauguse traadita jõuülekande suurusjärgus kilomeetrit (joonis 1).
Tulevikuväljavaated näevad ette järgmise -põlvkonna infrastruktuuri arendamist, mis on võimeline varustama elektrit ja laiendama sidekatvust olukordades ja piirkondades, kus elekter või sidevõrgud pole saadaval, näiteks katastroofide ajal, kaugetel saartel, mägistel aladel või merel. See hõlmab võimsuse edastamist täpselt konkreetsetele piirkondadele või liikuvatele platvormidele, näiteks droonidele. Sellise ülitäpse ja pika-toiteedastuse saavutamiseks on vaja laser-põhist juhtmeta jõuülekannet, mis kasutab ära selle tugevat suunatavust.
Olemasolevate tehnoloogiate väljakutsed ja selle katse saavutused
Optilise traadita jõuülekande tehnoloogia efektiivsus on üldiselt madal ja tõhususe parandamine on praktilise kasutamise küsimus. Selle üks põhjusi on see, et kui laserkiire levib kaugemal-, eriti atmosfääris, muutub intensiivsuse jaotus ebaühtlaseks ja laserkiire elektrienergiaks muundamise efektiivsus fotoelektrilises muunduselemendis väheneb.
Selles katses ühendasime NTT kiirte kujundamise tehnoloogia MHI valguse vastuvõtutehnoloogiaga, et parandada laseri traadita jõuülekande tõhusust. Viisime läbi pika-kauguse optilise juhtmeta jõuülekande katse välikeskkonnas, kasutades pika-vahemaa tasapinnalise tala kujundamise tehnoloogiat, mis kujundab kiirt edastuspoolel, et saavutada ühtlane kiire intensiivsus pärast 1-kilomeetrist levimist, ja väljundvoolu nivelleerimistehnoloogiat, mis summutab atmosfääri kõikumiste mõju vastuvõtva poole homogenisaatori ja nivelleerimisahelate abil.
Jaanuarist veebruarini 2025 viisime läbi optilise juhtmevaba jõuülekande katse Nanki-Shirahama lennujaama Shirahama linnas, Nishimuro ringkonnas, Wakayama prefektuuris (joonis 2). Lennuraja ühte otsa paigaldati laserkiirt kiirgava optilise süsteemiga varustatud edastuskabiin ja 1 kilomeetri kaugusele paigutati valgus-vastuvõtupaneeli sisaldav vastuvõtukabiin.
Edastamise ajal seati laseri optiline telg maapinnast umbes 1 meetri kõrgusele ja joondus horisontaalselt. Selle tulemusena mõjutasid tala tugevalt maaküte ja tuul ning katse viidi läbi tugeva atmosfääri turbulentsiga tingimustes.
Edastuskabiini sees genereeriti 1035 W optilise võimsusega laserkiir. Difraktiivse optilise elemendi (DOE) (märkus 3) abil kujundati kiir selliselt, et luua ühtlane intensiivsuse jaotus 1 kilomeetri kaugusel. Lisaks kasutati tala juhtimise peeglit, et suunata kujuline kiir täpselt vastuvõtupaneeli poole. Kiir väljus läbi ülekandekabiini ava ja levis üle 1 kilomeetri avatud ruumi, jõudes lõpuks vastuvõtukabiini.
Levimise ajal põhjustas atmosfääri turbulents kiirte intensiivsuse kõikumisi, tekitades kuumi kohti. Need hajutati vastuvõtukabiini homogenisaatoriga, mille tulemusena kiiritati vastuvõtupaneelile ühtlane kiir. Seejärel muudeti laserkiir tõhusalt elektrienergiaks (joonis 3). Vastuvõtupaneeli jaoks võeti kasutusele räni-põhine fotoelektriline teisenduselement, võttes arvesse nii kulusid kui ka saadavust.
Selles katses oli vastuvõtupaneelilt eraldatud keskmine elektrivõimsus 152 W (joonis 4), mis vastab 15% traadita jõuülekande efektiivsusele, mis on määratletud vastuvõetud elektrienergia ja edastatud optilise võimsuse suhtena. See tulemus tähistab maailma kõrgeimat optilise traadita jõuülekande efektiivsust, mida on kunagi näidatud räni-põhise fotoelektrilise muunduselemendi kasutamisel tugeva atmosfääri turbulentsi tingimustes. Lisaks säilitati 30 minuti jooksul edukalt pidev toiteedastus, mis kinnitab pika-kestva jõuülekande teostatavust selle tehnoloogia abil.
Märkus. Ohutuse seisukohalt paigaldati nii optiline edastussüsteem kui ka vastuvõtupaneel kabiinidesse, et vältida juhuslikku kokkupuudet suure{0}võimsusega laserkiirtega ja peegeldunud valguse hajumist.
Tehnilised tipphetked
Pika{0}}lametala kujundamise tehnoloogia
Fotoelektrilise muundamise efektiivsuse parandamiseks on vaja muuta fotoelektrilisele muunduselemendile langeva kiire intensiivsuse jaotus ühtlaseks.
Selles uuringus pakkusime välja kiire kujundamise meetodi, mis võimaldab intensiivsuse ühtlust pärast pikka{0}}levikaugust. Selle lähenemisviisi korral muudetakse kiire välimine osa rõngakujuliseks mustriks, kasutades aksikoonläätse efekti (märkus 4). Kiire keskosa on faasi{5}}moduleeritud, et laieneda nõgusläätse mõjul. Kiire levides kattuvad rõngakujuline -kiir ja laiendatud keskkiir järk-järgult, mille tulemuseks on intensiivsuse ühtlane jaotus sihtkohas, nagu on näidatud joonisel 5.
Katse jaoks optimeerisime tala disaini, et saavutada soovitud intensiivsusprofiil 1 kilomeetri kaugusel. Kiirte kujundamisel kasutati difraktsioonilist optilist elementi, mis parandas kiire intensiivsuse ühtlust 1 kilomeetri kaugusel asuvas sihtasendis.
Väljundvoolu nivelleerimise tehnoloogia
Kuna laserkiir levib läbi atmosfääri, mõjutab seda atmosfääri turbulents, mis häirib intensiivsuse jaotust. Kuigi ülalkirjeldatud lame{1}}kiire kujundamise tehnika võib ühtlustada intensiivsuse jaotust, võib tugev turbulents siiski põhjustada suure-intensiivsusega laikude moodustumist, nagu on näidatud joonisel 6.
Selle probleemi lahendamiseks asetasime valgusvihu{0}}vastuvõtupaneeli ette kiirhomogenisaatori. Homogenisaator hajutab suure-intensiivsusega laigud, nii et kiir kiiritatakse paneelile ühtlaselt. Lisaks ühendati iga vastuvõtupaneeli fotoelektrilise muunduselemendiga tasandusahelad. Need ahelad aitavad summutada atmosfääri turbulentsist põhjustatud väljundvoolu kõikumisi ja aitavad stabiliseerida üldist väljundvõimsust.
Need kaks tehnoloogiat võimaldavad saavutada kiire ühtluse kilomeetrite{0}}järjestuses, mis oli tavapäraste kiire kujundamise meetoditega keeruline, ja stabiliseerida väljundit väliskeskkonnas. Selle tulemusena on eeldatavasti teostatav stabiilne toiteallikas kaugematesse kohtadesse, nagu üksikud saared ja katastroofist{2}}mõjutatud piirkonnad.
Iga ettevõtte roll
NTT: edastusoptika, näiteks valgusvihu kujundamise tehnikate kavandamine ja rakendamine
MHI: fotodetektori optika, nagu fotodetektori paneelid, homogenisaatorid ja tasandusahelad, projekteerimine ja rakendamine
Edasised arengud
See tehnoloogia võimaldab tõhusat ja stabiilset energiaülekannet pikkadel vahemaadel isegi atmosfääri turbulentsi tingimustes. Selles katses kasutati fotogalvaanilise konversioonielemendina räni. Kuid spetsiaalselt laservalguse lainepikkusega sobitamiseks loodud fotogalvaaniliste seadmete kasutamisel võib eeldada veelgi suuremat energiaülekande efektiivsust. Lisaks võimaldaks suurema väljundvõimsusega laservalgusallikate kasutamine varustada suuremaid elektrikoguseid.
Selle tulemusel saab paindlikku ja kiiret elektrivarustust saavutada kaugetes piirkondades, nagu katastroofi{0}}räsinud piirkonnad ja kauged saared, kus toitekaablite paigaldamine on traditsiooniliselt olnud keeruline. Lisaks maapealsetele rakendustele saab selle tehnoloogia põhjal ette kujutada ka mitmesuguseid uusi kasutusjuhtumeid (joonis 7). Eelkõige võimaldab laserkiirte suur suunavus ja väike lahknevus kujundada kompaktseid ja kergeid vastuvõtuseadmeid. See on suur eelis mobiilplatvormidele, millel on kaalu ja kandevõime ranged piirangud.
Näiteks kombineerides seda tehnoloogiat kiirte juhtimise tehnikatega, on võimalik juhtmevabalt jõudu anda droonidele lennu ajal. See väldib tööpiiranguid, nagu aku vahetamiseks maandumine või lõastatud toitekaablite kasutamine, võimaldades pikka-kestvust ja pika-vahemaa pidevat tööd. Sellised võimalused võivad tõhustada katastroofi{4}}piirkonna jälgimist ja laiaulatuslikku-sideedastust mägistes või merepiirkondades – rakendusi, mida varem oli raske realiseerida.
Lisaks on oodata potentsiaalseid rakendusi kosmoses, sealhulgas toite edastamist mobiilsetele platvormidele, nagu HAPS (High Altitude Platform Station) (märkus 5), mis kuulub NTT kosmosebrändi NTT C89 (märkus6) alla. Vaadates kaugemale tulevikku, saab seda tehnoloogiat rakendada kosmose andmekeskuste ja kuukulgurite toitel, aga ka kosmose päikeseenergiasüsteemides, kus elektrit edastatakse geostatsionaarsetelt satelliitidelt laseriga maapinnale. Need rakendused esindavad valdkondi, millel on tugev turu laienemise potentsiaal.
NTT ja MHI koostöö kaudu oleme realiseerinud maailma tõhusaima juhtmevaba laservõimsuse ülekandetehnoloogia tingimustes, mida tugevalt mõjutavad atmosfääri kõikumised. See saavutus kujutab endast olulist sammu uuendusliku tehnoloogilise vundamendi loomisel, mis suudab vastata paljudele ühiskondlikele vajadustele alates katastroofidele reageerimisest kuni kosmosearenguni.
