TOKIO - 17 września, 2025 -NTT, Inc. (siedziba główna: Chiyoda, Tokio; prezes i dyrektor generalny: Akira Shimada; dalej „NTT”) oraz Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. (siedziba główna: Chiyoda, Tokio; prezes i dyrektor generalny: Eisaku Ito; dalej „MHI”) przeprowadziły eksperyment optycznej bezprzewodowej transmisji mocy przy użyciu wiązki laserowej do bezprzewodowego przesyłania energii na odległość 1 kilometra. Naświetlając wiązką lasera o mocy optycznej 1 kW, udało nam się uzyskać 152 W mocy elektrycznej na odległość 1 kilometra. Oznacza to najwyższą na świecie wydajność bezprzewodowej transmisji mocy optycznej przy użyciu krzemowego elementu konwersji fotoelektrycznej (Uwaga 2) w środowisku o silnych turbulencjach atmosferycznych.
Wynik ten pokazuje wykonalność dostarczania energii do odległych miejsc. Oczekuje się, że w przyszłości będzie ono stosowane do-przesyłania energii na żądanie na odległe wyspy i-obszary dotknięte klęską żywiołową, gdzie nie można zainstalować kabli zasilających.
Osiągnięcie to zostało opublikowane w brytyjskim magazynie Electronics Letters 5 sierpnia 2025 roku.
Tło
W ostatnich latach coraz większą uwagę poświęca się technologiom bezprzewodowego przesyłania energii do urządzeń takich jak smartfony, urządzenia do noszenia, drony i pojazdy elektryczne, które mogą dostarczać energię elektryczną bez użycia kabli. Istnieją dwa rodzaje bezprzewodowych systemów przesyłu energii: jeden wykorzystuje mikrofale, a drugi wykorzystuje promienie laserowe. Bezprzewodowe przesyłanie energii mikrofalowej jest już w praktyce stosowane, a jego zastosowanie stale się rozszerza. Z drugiej strony, optyczna bezprzewodowa transmisja mocy za pomocą wiązki lasera nie została wdrożona w praktyce, ale oczekuje się, że umożliwi ona realizację bezprzewodowej transmisji mocy na niewielkie-odległości rzędu kilometrów, wykorzystując wysoką kierunkowość wiązki laserowej (rysunek 1).
Perspektywy na przyszłość przewidują rozwój infrastruktury nowej-generacji zdolnej do dostarczania energii i zwiększania zasięgu komunikacji w sytuacjach i regionach, w których nie jest dostępna energia elektryczna lub sieci komunikacyjne, na przykład podczas klęsk żywiołowych, na odległych wyspach, obszarach górskich lub na morzu. Obejmuje to dostarczanie mocy precyzyjnie do określonych obszarów lub ruchomych platform, takich jak drony. Osiągnięcie tak dokładnego dostarczania mocy na duże-odległości wymaga-bezprzewodowej transmisji mocy opartej na laserze i wykorzystującej jej silną kierunkowość.
Wyzwania istniejących technologii i osiągnięcia tego eksperymentu
Wydajność technologii bezprzewodowej transmisji mocy optycznej jest ogólnie niska, a poprawa wydajności jest kwestią praktycznego zastosowania. Jedną z przyczyn jest to, że podczas propagacji-wiązki lasera na duże odległości, zwłaszcza w atmosferze, rozkład intensywności staje się nierówny, a wydajność przetwarzania wiązki lasera na energię elektryczną w fotoelektrycznym elemencie konwersji staje się niska.
W tym eksperymencie połączyliśmy technologię kształtowania wiązki firmy NTT z technologią odbioru światła MHI, aby poprawić wydajność bezprzewodowej transmisji mocy lasera. Przeprowadziliśmy eksperyment-z bezprzewodową transmisją mocy optycznej na duże odległości w środowisku zewnętrznym, stosując technologię kształtowania płaskiej wiązki na duże-odległości, która kształtuje wiązkę po stronie transmisji w celu uzyskania jednolitego natężenia wiązki po propagacji na dystansie 1 kilometra, oraz technologię wyrównywania prądu wyjściowego, która tłumi wpływ wahań atmosferycznych za pomocą homogenizatora i obwodów poziomujących po stronie odbiorczej.
Od stycznia do lutego 2025 r. przeprowadziliśmy eksperyment z bezprzewodową transmisją mocy optycznej na pasie startowym lotniska Nanki-Shirahama w mieście Shirahama w dystrykcie Nishimuro w prefekturze Wakayama (rysunek 2). Na jednym końcu pasa startowego zainstalowano kabinę nadawczą wyposażoną w układ optyczny emitujący wiązkę lasera, a w odległości 1 km od niej umieszczono kabinę odbiorczą zawierającą panel-odbiorczy światła.
Podczas transmisji oś optyczna lasera została ustawiona na małej wysokości około 1 metra nad ziemią i ustawiona poziomo. W rezultacie na belkę duży wpływ miało nagrzewanie się gruntu oraz wiatr, dlatego eksperyment prowadzono w warunkach silnych turbulencji atmosferycznych.
Wewnątrz kabiny transmisyjnej wygenerowano wiązkę lasera o mocy optycznej 1035 W. Wykorzystując dyfrakcyjny element optyczny (DOE) (uwaga 3), wiązkę ukształtowano tak, aby uzyskać równomierny rozkład natężenia w odległości 1 kilometra. Dodatkowo zastosowano lusterko sterujące wiązką, które precyzyjnie kieruje ukształtowaną wiązkę w stronę panelu odbiorczego. Wiązka wyszła przez otwór w kabinie nadawczej i rozeszła się po 1 kilometrze otwartej przestrzeni, docierając ostatecznie do kabiny odbiorczej.
Podczas propagacji turbulencje atmosferyczne powodowały wahania intensywności wiązki, tworząc gorące punkty. Zostały one rozproszone przez homogenizator w kabinie odbiorczej, co spowodowało napromieniowanie jednolitej wiązki na panel odbiorczy. Wiązka laserowa została następnie skutecznie przekształcona w energię elektryczną (rysunek 3). W panelu odbiorczym zastosowano krzemowy element konwersji fotoelektrycznej-, biorąc pod uwagę zarówno koszt, jak i dostępność.
W tym eksperymencie średnia moc elektryczna pobierana z panelu odbiorczego wyniosła 152 W (rysunek 4), co odpowiada wydajności bezprzewodowej transmisji mocy wynoszącej 15%, zdefiniowanej jako stosunek odebranej mocy elektrycznej do transmitowanej mocy optycznej. Wynik ten oznacza najwyższą na świecie wydajność bezprzewodowej transmisji mocy optycznej, jaką kiedykolwiek wykazano przy użyciu krzemowego-elementu konwersji fotoelektrycznej w warunkach silnych turbulencji atmosferycznych. Co więcej, ciągłe dostarczanie mocy udało się utrzymać przez 30 minut, co potwierdza wykonalność-długiego czasu trwania transmisji mocy przy użyciu tej technologii.
Uwaga: ze względów bezpieczeństwa optyczny system transmisji i panel odbiorczy zostały zainstalowane w kabinach, aby zapobiec przypadkowemu narażeniu na działanie promieni lasera-o dużej mocy i rozproszeniu odbitego światła.
Najważniejsze informacje techniczne
Technologia kształtowania płaskiej wiązki na duże-odległości
Aby poprawić efektywność konwersji fotoelektrycznej, konieczne jest zapewnienie równomiernego rozkładu natężenia wiązki padającej na element konwersji fotoelektrycznej.
W tym badaniu zaproponowaliśmy metodę kształtowania wiązki, która umożliwia jednorodność natężenia po propagacji na duże-odległości. W tym podejściu zewnętrzna część wiązki jest przekształcana we wzór-w kształcie pierścienia przy użyciu efektu soczewki aksikonu (Uwaga 4). Środkowa część wiązki jest modulowana-fazowo, aby rozszerzać się pod wpływem soczewki wklęsłej. W miarę rozchodzenia się wiązki wiązka-w kształcie pierścienia i rozszerzona wiązka środkowa stopniowo nakładają się na siebie, co skutkuje równomiernym rozkładem natężenia w lokalizacji docelowej, jak pokazano na rysunku 5.
Na potrzeby eksperymentu zoptymalizowaliśmy konstrukcję wiązki, aby uzyskać pożądany profil intensywności w odległości 1 kilometra. Do kształtowania wiązki wykorzystano dyfrakcyjny element optyczny, który poprawił równomierność natężenia wiązki w miejscu docelowym oddalonym o 1 kilometr.
Technologia poziomowania prądu wyjściowego
Gdy wiązka lasera rozchodzi się w atmosferze, ulega wpływowi turbulencji atmosferycznych, co zaburza rozkład intensywności. Chociaż opisana powyżej technika kształtowania płaskiej-wiązki może ujednolicić rozkład intensywności, silne turbulencje mogą nadal powodować powstawanie plam-o dużej intensywności, jak pokazano na rysunku 6.
Aby rozwiązać ten problem, umieściliśmy homogenizator wiązki przed panelem-odbioru światła. Homogenizator rozprasza plamy-o wysokiej intensywności, dzięki czemu wiązka jest równomiernie napromieniana na panel. Dodatkowo do każdego elementu konwersji fotoelektrycznej na panelu odbiorczym podłączone zostały obwody poziomujące. Obwody te pomagają tłumić wahania prądu wyjściowego spowodowane turbulencjami atmosferycznymi i przyczyniają się do stabilizacji całkowitej mocy wyjściowej.
Te dwie technologie umożliwiają osiągnięcie jednorodności wiązki w zakresie transmisji-kilometrów, co było trudne w przypadku konwencjonalnych metod kształtowania wiązki, oraz stabilizację mocy wyjściowej w środowiskach zewnętrznych. W rezultacie oczekuje się, że stabilne dostawy energii do odległych lokalizacji, takich jak odizolowane wyspy i obszary-dotknięte klęską, staną się wykonalne.
Rola każdej firmy
NTT: Projektowanie i wdrażanie optyki transmisyjnej, np. technik kształtowania wiązki
MHI: Projektowanie i wdrażanie optyki fotodetektorów, takich jak panele fotodetektorów, homogenizatory i obwody poziomujące
Przyszły rozwój
Technologia ta umożliwia wydajne i stabilne przesyłanie energii na duże odległości nawet w warunkach turbulencji atmosferycznych. W tym eksperymencie jako element konwersji fotowoltaicznej wykorzystano krzem. Jednak stosując urządzenia fotowoltaiczne zaprojektowane specjalnie pod kątem dopasowania długości fali światła lasera, można oczekiwać jeszcze wyższej wydajności przenoszenia mocy. Dodatkowo zastosowanie laserowych źródeł światła o większej mocy wyjściowej umożliwiłoby dostarczenie większych ilości energii elektrycznej.
W rezultacie można zapewnić elastyczne i szybkie dostawy energii w odległych obszarach, takich jak regiony-dotknięte klęską żywiołową i odległe wyspy, gdzie instalacja kabli zasilających była tradycyjnie trudna. Poza zastosowaniami naziemnymi, w oparciu o tę technologię można przewidzieć także szeroką gamę nowych zastosowań (rysunek 7). Warto zauważyć, że wysoka kierunkowość i mała rozbieżność wiązek laserowych pozwalają na projektowanie kompaktowych i lekkich urządzeń odbiorczych. Jest to główna zaleta w przypadku platform mobilnych, które borykają się z rygorystycznymi ograniczeniami dotyczącymi masy i ładowności.
Na przykład, łącząc tę technologię z technikami sterowania wiązką, możliwe staje się bezprzewodowe dostarczanie mocy do dronów w locie. Pozwala to uniknąć ograniczeń operacyjnych, takich jak lądowanie w celu wymiany baterii lub stosowania podłączonych kabli zasilających, umożliwiając długą-ciągłą pracę na dużych-odległościach. Takie możliwości mogą usprawnić monitorowanie-obszaru klęsk żywiołowych, a także-przekazywanie komunikacji rozległej w regionach górskich lub morskich, czyli zastosowania, które wcześniej były trudne do zrealizowania.
Ponadto przewiduje się potencjalne zastosowania w przestrzeni kosmicznej, w tym dostarczanie zasilania do platform mobilnych, takich jak HAPS (stacja platformy dużej wysokości) (uwaga 5), która wchodzi w zakres kosmicznej marki NTT, NTT C89 (uwaga 6). Patrząc w przyszłość, technologię tę można zastosować do zasilania kosmicznych centrów danych i łazików księżycowych, a także kosmicznych systemów energii słonecznej, w których energia elektryczna jest przesyłana z satelitów geostacjonarnych na ziemię za pomocą lasera. Zastosowania te reprezentują obszary o dużym potencjale ekspansji rynkowej.
Dzięki współpracy firm NTT i MHI opracowaliśmy najwydajniejszą na świecie laserową technologię bezprzewodowego przesyłania mocy w warunkach silnie dotkniętych wahaniami atmosferycznymi. To osiągnięcie stanowi znaczący krok w kierunku zbudowania innowacyjnego fundamentu technologicznego, który może zaspokoić szeroki zakres potrzeb społecznych, od reagowania na katastrofy po rozwój przestrzeni kosmicznej.
