TOKYO - 17. september 2025 -NTT, Inc. (Höfuðstöðvar: Chiyoda, Tókýó; Forseti og forstjóri: Akira Shimada; hér á eftir „NTT“) og Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. (Höfuðstöðvar: Chiyoda, Tókýó; Forseti og forstjóri: Eisaku Ito; hér eftir kallað „MHI“) gerðu tilraun með optíska þráðlausa orkusendingu með því að nota leysigeisla í 1 kílómetra fjarlægð. Með því að geisla leysigeisla með 1 kW ljósafli tókst okkur að fá 152 W af raforku í 1 kílómetra fjarlægð. Þetta markar mesta skilvirkni heimsins fyrir þráðlausa sjónræna orkusendingu sem notar kísilljósumbreytibúnað (Athugasemd 2) í umhverfi með mikilli ókyrrð í andrúmsloftinu.
Þessi niðurstaða sýnir fram á hagkvæmni þess að afhenda orku til fjarlægra staða. Í framtíðinni er búist við því að það verði beitt við-þörf raforkuflutnings til fjarlægra eyja og hamfarasvæða- þar sem ekki er hægt að setja rafmagnssnúrur.
Þetta afrek var birt í breska tímaritinu Electronics Letters 5. ágúst 2025.
Bakgrunnur
Á undanförnum árum hefur þráðlaus aflflutningstækni fyrir tæki eins og snjallsíma, nothæfan tæki, dróna og rafknúin farartæki, sem geta veitt rafmagn án þess að nota snúrur, vakið aukna athygli. Það eru tvær tegundir af þráðlausum orkuflutningskerfum: annað notar örbylgjuofna og hitt notar leysigeisla. Þráðlaus aflflutningur í örbylgjuofni er nú þegar í hagnýtri notkun og notkun þess fer vaxandi. Aftur á móti hefur sjónræn þráðlaus aflflutningur með leysigeisla ekki verið tekinn í notkun, en gert er ráð fyrir að hún nái að ná fyrirferðarlítilli þráðlausri aflsendingu til lengri -vegalengda á stærðargráðunni kílómetra með því að nýta sér mikla stefnumörkun leysigeisla (Mynd 1).
Framtíðarhorfur sjá fyrir sér þróun næstu-kynslóðar innviða sem geta veitt orku og stækkað fjarskiptasvið í aðstæðum og á svæðum þar sem rafmagn eða fjarskiptanet eru ekki tiltæk, eins og við hamfarir, á afskekktum eyjum, fjallasvæðum eða á sjó. Þetta felur í sér að afhenda krafti nákvæmlega til ákveðinna svæða eða hreyfanlegra palla eins og dróna. Til þess að ná svona mjög nákvæmri og langri-fjarlægð aflgjafa þarf leysir-þráðlausa orkusendingu sem nýtir sér sterka stefnu.
Áskoranir núverandi tækni og árangur þessarar tilraunar
Skilvirkni þráðlausrar optískrar raforkuflutningstækni er almennt lítil og hagkvæmni er hagnýt vandamál. Ein af ástæðunum fyrir þessu er sú að þegar leysigeisli-lengir breiðist út, sérstaklega í andrúmsloftinu, verður styrkardreifingin ójöfn og skilvirkni þess að breyta leysigeisla í raforku í ljósrafsviðskiptaeiningunni verður lítil.
Í þessari tilraun sameinuðum við geislamótunartækni NTT við ljósmóttökutækni MHI til að bæta skilvirkni þráðlausrar leysiraflsflutnings. Við gerðum langa-optíska þráðlausa aflflutningstilraun í útiumhverfi með því að nota langa-flötu geislamótunartækni sem mótar geislann við sendingarhliðina til að ná samræmdum geislastyrk eftir 1 kílómetra útbreiðslu, og útstreymisjöfnunartækni sem bælir niður áhrif lofthjúpssveiflna með einsleitara og jöfnunarrásum á móttökuhliðinni.
Frá janúar til febrúar 2025 gerðum við tilraun með þráðlausri optísku aflflutningi á flugbrautinni á Nanki-Shirahama flugvellinum í Shirahama Town, Nishimuro District, Wakayama Hérað (Mynd 2). Sendiklefi með ljóskerfi til að gefa frá sér leysigeisla var settur upp í öðrum enda flugbrautarinnar og móttökuklefi sem innihélt ljós-móttökuborð var komið fyrir í 1 kílómetra fjarlægð.
Við sendingu var sjónás leysisins stilltur á lága hæð um það bil 1 metra yfir jörðu og stilltur lárétt. Þess vegna varð geislinn fyrir miklum áhrifum af jarðhitun og vindi og var tilraunin gerð við aðstæður með mikilli ókyrrð í andrúmsloftinu.
Inni í sendiklefanum var myndaður leysigeisli með 1035 W ljósafl. Með því að nota diffractive optical element (DOE) (Athugasemd 3) var geislinn lagaður til að skapa jafna styrkleikadreifingu í 1 kílómetra fjarlægð. Að auki var geislastýrisspegill notaður til að beina löguðu geislanum nákvæmlega í átt að móttökuborðinu. Geislinn fór út um opið á sendiklefanum og breiddist út um 1 kílómetra af opnu rými og náði að lokum móttökuklefanum.
Við útbreiðslu olli órói í andrúmslofti sveiflum í styrkleika geislans og myndaði heita bletti. Þessum var dreift með einsleitara í móttökuklefanum, sem leiddi til þess að samræmdum geisla var geislað á móttökuborðið. Lasergeislanum var síðan breytt á skilvirkan hátt í raforku (Mynd 3). Kísil-undirstaða ljósaumbreytingarþáttur var tekinn upp fyrir móttökuborðið, að teknu tilliti til bæði kostnaðar og framboðs.
Í þessari tilraun var meðalrafmagn sem dregið var úr móttökuborðinu 152 W (Mynd 4), sem samsvarar 15% þráðlausri aflflutningsnýtni, skilgreint sem hlutfall móttekins raforku og sends ljósafls. Þessi niðurstaða markar heimsins hæsta skilvirkni í sjónrænu þráðlausu aflflutningi sem nokkurn tíma hefur verið sýnt fram á með því að nota kísil-byggt ljósrafmagnsbreytingareiningu við aðstæður þar sem mikil ókyrrð er í andrúmsloftinu. Ennfremur tókst að viðhalda samfelldri aflgjafa í 30 mínútur, sem staðfestir hagkvæmni þess að-langtíma raforkusending með þessari tækni.
Athugið: Frá öryggissjónarmiði voru sjónflutningskerfið og móttökuborðið sett upp inni í klefum til að koma í veg fyrir slysni í snertingu við háa- leysigeisla og dreifingu endurkasts ljóss.
Tæknilegir hápunktar
Löng-mótunartækni fyrir flata geisla
Til að bæta skilvirkni ljósumbreytingar er nauðsynlegt að gera styrkleikadreifingu geisla sem fellur á ljósumbreytingarhlutanum einsleita.
Í þessari rannsókn lögðum við til geislamótunaraðferð sem gerir styrkleika einsleitni eftir langa-fjarlægð útbreiðslu. Í þessari nálgun er ytri hluti geislans umbreytt í hringlaga -mynstur með því að nota áhrif axikonlinsu (Ath.4). Miðhluti geislans er fasa-mótaður til að þenjast út með áhrifum íhvolfra linsu. Þegar geislinn breiðist út skarast-hringlaga geislinn og stækkaði miðgeislinn smám saman, sem leiðir til jafnrar styrkleikadreifingar á markstaðnum, eins og sýnt er á mynd 5.
Fyrir tilraunina fínstilltum við geislahönnunina til að ná æskilegu styrkleikasniði í 1 kílómetra fjarlægð. Geislamótunin var útfærð með því að nota diffractive optískan þátt, sem bætti einsleitni geislastyrksins á markstöðu sem staðsett er í 1 kílómetra fjarlægð.
Framleiðsla núverandi efnistöku tækni
Þegar leysigeislinn breiðist út um andrúmsloftið verður hann fyrir áhrifum af óróa í andrúmsloftinu sem truflar styrkleikadreifingu. Þó að flata-geislamótunartæknin sem lýst er hér að ofan geti jafnað styrkleikadreifinguna, getur sterk ókyrrð samt valdið myndun há-bletta eins og sýnt er á mynd 6.
Til að taka á þessu vandamáli settum við geislajafnara fyrir framan ljós-móttökuspjaldið. Einsleitarinn dreifir háum-blettum þannig að geislinn geislast jafnt á spjaldið. Að auki voru jöfnunarrásir tengdar við hvern ljósaumbreytingarhluta á móttökuborðinu. Þessar hringrásir hjálpa til við að bæla sveiflur í útgangsstraumi af völdum ókyrrðar í andrúmsloftinu og stuðla að stöðugleika á heildarafli.
Þessar tvær tæknir gera það mögulegt að ná fram einsleitni geisla í kílómetra-röð sending, sem var erfitt með hefðbundnum geislamótunaraðferðum, og að koma á stöðugleika í útstreymi í umhverfi utandyra. Fyrir vikið er búist við að stöðug aflgjafi til fjarlægra staða eins og einangraðra eyja og hamfarasvæða- verði framkvæmanleg.
Hlutverk hvers fyrirtækis
NTT: Hönnun og útfærsla ljósleiðara fyrir sendingu eins og geislamótunartækni
MHI: Hönnun og útfærsla ljósnema eins og ljósnemaplötur, einsleitartæki og jöfnunarrásir
Framtíðarþróun
Þessi tækni gerir skilvirka og stöðuga flutning orku yfir langar vegalengdir, jafnvel við ókyrrð í andrúmsloftinu. Í þessari tilraun var kísill notaður sem ljósvakaumbreytingarþáttur. Hins vegar, með því að nota ljósvökvatæki sem eru sérstaklega hönnuð til að passa við bylgjulengd leysiljóssins, má búast við enn meiri orkuflutningsskilvirkni. Auk þess myndi notkun leysigeisla með hærra úttaksafli gera kleift að útvega meira magn af rafmagni.
Fyrir vikið er hægt að ná fram sveigjanlegri og hröðum aflgjafa á afskekktum svæðum eins og hörmungarsvæðum og afskekktum eyjum, þar sem uppsetning rafstrengja hefur jafnan verið erfið. Fyrir utan landræna notkun er einnig hægt að sjá fyrir sér fjölbreytt úrval nýrra notkunartilvika sem byggjast á þessari tækni (Mynd 7). Athyglisvert er að mikil stefnumörkun og lítil frávik leysigeisla gera kleift að hanna fyrirferðarlítil og létt móttökutæki. Þetta er mikill kostur fyrir farsímakerfi sem standa frammi fyrir ströngum takmörkunum á þyngd og hleðslugetu.
Til dæmis, með því að sameina þessa tækni og geislastýringartækni, verður mögulegt að afhenda dróna afl þráðlaust á flugi. Þetta kemur í veg fyrir rekstrartakmarkanir eins og lendingu til að skipta um rafhlöðu eða notkun á tjóðruðum aflgjafasnúrum, sem gerir langa-tíma og langa-samfellda notkun kleift. Slíkur hæfileiki getur aukið hörmungar-svöktun sem og víðtæka-samskiptaboð í fjalla- eða sjávarhéruðum, forrit sem áður var erfitt að gera sér grein fyrir.
Að auki er gert ráð fyrir hugsanlegri notkun í geimnum, þar á meðal aflgjafa til farsímakerfa eins og HAPS (High Altitude Platform Station)(Athugasemd5), sem fellur undir geimmerki NTT, NTT C89(Athugasemd6). Þegar horft er lengra fram í tímann, gæti tæknin verið notuð til að knýja geimgagnaver og tunglfarþega, sem og á sólarorkukerfi í geimnum þar sem rafmagn er sent frá jarðstöðvum gervihnöttum til jarðar með leysi. Þessar umsóknir tákna svæði með mikla möguleika á stækkun markaðarins.
Með samstarfi NTT og MHI höfum við áttað okkur á skilvirkustu þráðlausu leysiraflsflutningstækni í heimi við aðstæður sem eru mjög fyrir áhrifum af sveiflum í andrúmslofti. Þetta afrek er mikilvægt skref í átt að því að byggja upp nýstárlegan tæknilegan grunn sem getur mætt margvíslegum samfélagslegum þörfum, allt frá hörmungaviðbrögðum til geimþróunar.
