TOKIO - 17. september, 2025 -NTT, Inc. (Sedež: Chiyoda, Tokio; predsednik in izvršni direktor: Akira Shimada; v nadaljevanju "NTT") in Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. (sedež: Chiyoda, Tokio; predsednik in izvršni direktor: Eisaku Ito; v nadaljevanju "MHI") sta izvedla poskus optičnega brezžičnega prenosa energije z uporabo laserskega žarka za brezžičen prenos energije 1 kilometer stran. Z obsevanjem laserskega žarka z optično močjo 1 kW nam je uspelo prejeti 152 W električne moči 1 kilometer daleč. To označuje najvišjo učinkovitost optičnega brezžičnega prenosa energije na svetu z uporabo silicijevega fotoelektričnega pretvorbenega elementa (Opomba 2) v okolju z močno atmosfersko turbulenco.
Ta rezultat dokazuje izvedljivost dostave energije na oddaljena mesta. V prihodnosti naj bi se uporabljal za-prenos električne energije na zahtevo na oddaljene otoke in območja,-prizadela nesreče, kjer napajalnih kablov ni mogoče namestiti.
Ta dosežek je bil 5. avgusta 2025 objavljen v britanski reviji Electronics Letters.
Ozadje
V zadnjih letih vse več pozornosti pritegnejo tehnologije brezžičnega prenosa energije za naprave, kot so pametni telefoni, nosljive naprave, brezpilotna letala in električna vozila, ki lahko dobavljajo elektriko brez uporabe kablov. Obstajata dve vrsti sistemov za brezžični prenos energije: eden uporablja mikrovalovne pečice, drugi pa laserske žarke. Mikrovalovni brezžični prenos energije je že v praksi in se širi. Po drugi strani optični brezžični prenos energije z uporabo laserskega žarka še ni bil uporabljen v praksi, pričakuje pa se, da bo z izkoriščanjem prednosti visoke usmerjenosti laserskega žarka uresničil kompakten brezžični prenos energije na dolge -razdalje velikosti kilometrov (slika 1).
Prihodnji obeti predvidevajo razvoj infrastrukture naslednje-generacije, ki bo sposobna oskrbovati z energijo in razširiti komunikacijsko pokritost v situacijah in regijah, kjer električna energija ali komunikacijska omrežja niso na voljo, na primer med nesrečami, na oddaljenih otokih, v gorskih območjih ali na morju. To vključuje dovajanje energije natančno na določena območja ali premikajoče se platforme, kot so brezpilotna letala. Za doseganje tako zelo natančnega-napajanja na velike razdalje je potreben laserski-brezžični prenos energije, ki izkorišča svojo močno usmerjenost.
Izzivi obstoječih tehnologij in dosežki tega eksperimenta
Učinkovitost tehnologije optičnega brezžičnega prenosa energije je na splošno nizka, izboljšanje učinkovitosti pa je vprašanje za praktično uporabo. Eden od razlogov za to je, da ko se laserski žarek -razširja na velike razdalje, zlasti v atmosferi, postane porazdelitev intenzivnosti neenakomerna in učinkovitost pretvorbe laserskega žarka v električno energijo v elementu za fotoelektrično pretvorbo postane nizka.
V tem poskusu smo združili NTT-jevo tehnologijo za oblikovanje žarka s tehnologijo za sprejem svetlobe MHI, da bi izboljšali učinkovitost laserskega brezžičnega prenosa energije. Izvedli smo-poskus optičnega brezžičnega prenosa energije na velike razdalje v zunanjem okolju z uporabo-tehnologije oblikovanja ploskega žarka na velike{2}}razdalje, ki oblikuje žarek na oddajni strani, da doseže enakomerno intenzivnost žarka po širjenju 1 kilometra, in tehnologijo izravnave izhodnega toka, ki zavira vpliv atmosferskih nihanj s homogenizatorjem in izravnalnimi vezji na sprejemni strani.
Od januarja do februarja 2025 smo izvedli poskus optičnega brezžičnega prenosa energije na vzletno-pristajalni stezi na letališču Nanki-Shirahama v mestu Shirahama, okrožje Nishimuro, prefektura Wakayama (slika 2). Na enem koncu vzletno-pristajalne steze je bila nameščena oddajna kabina, opremljena z optičnim sistemom za oddajanje laserskega žarka, 1 kilometer stran pa sprejemna kabina s svetlobno-sprejemno ploščo.
Med prenosom je bila optična os laserja nastavljena na nizko višino približno 1 meter nad tlemi in poravnana vodoravno. Zaradi tega je bil žarek pod močnim vplivom segrevanja tal in vetra, poskus pa je bil izveden v pogojih z močno atmosfersko turbulenco.
Znotraj oddajne kabine je bil ustvarjen laserski žarek z optično močjo 1035 W. Z uporabo difraktivnega optičnega elementa (DOE) (opomba 3) je bil žarek oblikovan tako, da je ustvaril enakomerno porazdelitev intenzitete na razdalji 1 kilometra. Poleg tega je bilo uporabljeno ogledalo za usmerjanje žarka za natančno usmerjanje oblikovanega žarka proti sprejemni plošči. Žarek je izstopil skozi odprtino oddajne kabine in se širil čez 1 kilometer odprtega prostora ter na koncu dosegel sprejemno kabino.
Med širjenjem je atmosferska turbulenca povzročila nihanja v intenzivnosti žarka, kar je povzročilo vroče točke. Te je razpršil homogenizator v sprejemni kabini, kar je povzročilo enakomeren žarek, ki je bil obsevan na sprejemno ploščo. Laserski žarek je bil nato učinkovito pretvorjen v električno energijo (slika 3). Za sprejemno ploščo je bil sprejet-element za fotoelektrično pretvorbo na osnovi silicija, ob upoštevanju stroškov in razpoložljivosti.
V tem poskusu je bila povprečna električna moč, pridobljena iz sprejemne plošče, 152 W (slika 4), kar ustreza 15-odstotni učinkovitosti brezžičnega prenosa energije, opredeljeni kot razmerje med prejeto električno močjo in oddano optično močjo. Ta rezultat označuje najvišjo učinkovitost optičnega brezžičnega prenosa energije na svetu, ki je bila kadar koli dokazana z uporabo fotoelektričnega pretvorbenega elementa na osnovi silicija-v pogojih močne atmosferske turbulence. Poleg tega je bila neprekinjena dobava električne energije uspešno ohranjena 30 minut, kar potrjuje izvedljivost dolgotrajnega-prenosa električne energije s to tehnologijo.
Opomba: Z varnostnega vidika sta bila sistem optičnega prenosa in sprejemna plošča nameščena znotraj kabine, da se prepreči nenamerna izpostavljenost visoko{0}}močnim laserskim žarkom in sipanje odbite svetlobe.
Tehnični poudarki
Te-tehnologija oblikovanja ploskega žarka na velike razdalje
Za izboljšanje učinkovitosti fotoelektrične pretvorbe je treba narediti enakomerno porazdelitev intenzitete žarka, ki vpada na element fotoelektrične pretvorbe.
V tej študiji smo predlagali metodo oblikovanja žarka, ki omogoča enakomernost intenzivnosti po-širjenju na velike razdalje. Pri tem pristopu se zunanji del žarka pretvori v vzorec v obliki obroča-z uporabo učinka aksikonske leče (opomba 4). Osrednji del žarka je fazno-moduliran, da se razširi zaradi učinka konkavne leče. Ko se žarek širi, se obročasti-žarek in razširjeni osrednji žarek postopoma prekrivata, kar ima za posledico enakomerno porazdelitev intenzitete na ciljni lokaciji, kot je prikazano na sliki 5.
Za poskus smo optimizirali zasnovo žarka, da bi dosegli želeni profil intenzivnosti na razdalji 1 kilometra. Oblikovanje žarka je bilo izvedeno z difrakcijskim optičnim elementom, ki je izboljšal enakomernost jakosti žarka na ciljni poziciji, ki je oddaljena 1 kilometer.
Tehnologija izravnave izhodnega toka
Ko se laserski žarek širi skozi atmosfero, nanj vpliva atmosferska turbulenca, ki moti porazdelitev intenzitete. Čeprav lahko zgoraj opisana tehnika oblikovanja ravnega-žarka izenači porazdelitev intenzivnosti, lahko močna turbulenca še vedno povzroči nastanek pik-visoke intenzivnosti, kot je prikazano na sliki 6.
Da bi odpravili to težavo, smo pred svetlobno-sprejemno ploščo postavili homogenizator žarka. Homogenizator razprši-pike visoke intenzivnosti, tako da žarek enakomerno obseva ploščo. Poleg tega so bila izravnalna vezja povezana z vsakim fotoelektričnim pretvornim elementom na sprejemni plošči. Ta vezja pomagajo zatreti nihanja izhodnega toka, ki jih povzročajo atmosferske turbulence, in prispevajo k stabilizaciji celotne izhodne moči.
Ti dve tehnologiji omogočata doseganje enotnosti žarka v kilometrskem-predajanju, kar je bilo težko pri običajnih metodah oblikovanja žarka, in stabilizacijo izhoda v zunanjih okoljih. Posledično naj bi postala izvedljiva stabilna oskrba z električno energijo oddaljenih lokacij, kot so izolirani otoki in-prizadeta območja.
Vloga vsakega podjetja
NTT: Oblikovanje in izvedba prenosne optike, kot so tehnike oblikovanja žarka
MHI: Oblikovanje in izvedba fotodetektorske optike, kot so fotodetektorske plošče, homogenizatorji in izravnalna vezja
Prihodnji razvoj
Ta tehnologija omogoča učinkovit in stabilen prenos energije na velike razdalje tudi pod atmosferskimi turbulencami. V tem poskusu je bil silicij uporabljen kot element za fotovoltaično pretvorbo. Vendar pa lahko z uporabo fotonapetostnih naprav, posebej zasnovanih za ujemanje valovne dolžine laserske svetlobe, pričakujemo še večjo učinkovitost prenosa moči. Poleg tega bi uporaba laserskih virov svetlobe z večjo izhodno močjo omogočila dobavo večjih količin električne energije.
Posledično je mogoče doseči prilagodljivo in hitro dobavo električne energije na oddaljenih območjih, kot so-prizadete regije in oddaljeni otoki, kjer je bila namestitev napajalnih kablov tradicionalno težavna. Poleg prizemnih aplikacij si lahko na podlagi te tehnologije zamislimo tudi širok nabor novih primerov uporabe (slika 7). Predvsem visoka usmerjenost in nizka divergenca laserskih žarkov omogočata oblikovanje kompaktnih in lahkih sprejemnih naprav. To je velika prednost za mobilne platforme, ki se soočajo s strogimi omejitvami teže in nosilnosti.
Na primer, s kombiniranjem te tehnologije s tehnikami usmerjanja snopa postane možno brezžično dovajanje energije dronom med letom. S tem se izognete operativnim omejitvam, kot je pristanek za zamenjavo baterije ali uporaba privezanih napajalnih kablov, kar omogoča dolgo-trajanje in neprekinjeno-delovanje. Takšne zmogljivosti lahko izboljšajo-nadzor območij katastrofe in -komunikacijski prenos širšega območja v gorskih ali morskih regijah, aplikacije, ki jih je bilo prej težko izvesti.
Poleg tega se pričakujejo potencialne aplikacije v vesolju, vključno z dobavo energije mobilnim platformam, kot je HAPS (High Altitude Platform Station) (Note5), ki spada v obseg vesoljske znamke NTT, NTT C89 (Note6). Če pogledamo naprej, bi lahko tehnologijo uporabili za napajanje vesoljskih podatkovnih centrov in lunarnih roverjev, pa tudi za vesoljske sisteme sončne energije, v katerih se električna energija prenaša z geostacionarnih satelitov na zemljo prek laserja. Te aplikacije predstavljajo področja z velikim potencialom za širitev trga.
S sodelovanjem med NTT in MHI smo realizirali najučinkovitejšo tehnologijo laserskega brezžičnega prenosa energije na svetu v pogojih, na katere močno vplivajo atmosferska nihanja. Ta dosežek predstavlja pomemben korak k izgradnji inovativne tehnološke osnove, ki lahko zadovolji širok spekter družbenih potreb, od odzivanja na nesreče do razvoja vesolja.
