TOKIO - 17. syyskuuta 2025 -NTT, Inc. (pääkonttori: Chiyoda, Tokio; toimitusjohtaja: Akira Shimada; jäljempänä "NTT") ja Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. (pääkonttori: Chiyoda, Tokio; toimitusjohtaja: Eisaku Ito; jäljempänä "MHI") suorittivat kokeen langattomalla laser-energiansiirrolla. Säteilyttämällä lasersädettä optisella teholla 1 kW onnistuimme vastaanottamaan 152 W sähkötehoa 1 kilometrin päästä. Tämä on maailman korkein hyötysuhde optisessa langattomassa tehonsiirrossa, jossa käytetään piin valosähköistä muunnoselementtiä (Note2) ympäristössä, jossa ilmakehän turbulenssi on voimakas.
Tämä tulos osoittaa, että sähköä voidaan toimittaa kaukaisiin paikkoihin. Jatkossa sitä odotetaan käytettävän on-sähkönsiirrossa syrjäisille saarille ja katastrofien-vaurioittamille alueille, joille ei voida asentaa virtakaapeleita.
Tämä saavutus julkaistiin brittiläisessä Electronics Letters -lehdessä 5.8.2025.
Tausta
Viime vuosina älypuhelimien, puettavien laitteiden, dronejen ja sähköajoneuvojen, jotka voivat toimittaa sähköä ilman kaapeleita, langattomat voimansiirtotekniikat ovat saaneet yhä enemmän huomiota. Langattomia voimansiirtojärjestelmiä on kahdenlaisia: yksi käyttää mikroaaltoja ja toinen lasersäteitä. Langaton mikroaaltovoimansiirto on jo käytännössä käytössä ja sen käyttö laajenee. Toisaalta optista langatonta tehonsiirtoa lasersäteellä ei ole otettu käytännössä käyttöön, mutta sen odotetaan toteuttavan kompaktin pitkän-matkan langattoman voimansiirron kilometrien luokkaa hyödyntäen lasersäteen suurta suuntaavuutta (kuva 1).
Tulevaisuuden näkymät suunnittelevat seuraavan -sukupolven infrastruktuurin kehittämistä, joka pystyy toimittamaan virtaa ja laajentamaan viestintäaluetta tilanteissa ja alueilla, joissa sähkö- tai viestintäverkot eivät ole käytettävissä, kuten katastrofien aikana, syrjäisillä saarilla, vuoristoalueilla tai merellä. Tämä sisältää tehon toimittamisen tarkasti tietyille alueille tai liikkuville alustoille, kuten droneille. Tällaisen erittäin tarkan ja pitkän-tehonsiirron saavuttaminen edellyttää laser-pohjaista langatonta tehonsiirtoa, joka hyödyntää sen vahvaa suuntaavuutta.
Nykyisten teknologioiden haasteet ja tämän kokeilun saavutukset
Optisen langattoman tehonsiirtotekniikan hyötysuhde on yleisesti ottaen alhainen ja hyötysuhteen parantaminen on käytännön käytön kysymys. Yksi syy tähän on se, että kun pitkän-etäisyyden lasersäde etenee erityisesti ilmakehässä, intensiteetin jakautuminen muuttuu epätasaiseksi ja tehokkuus lasersäteen muuntamiseksi sähkötehoksi valosähköisessä muunnoselementissä heikkenee.
Tässä kokeessa yhdistimme NTT:n säteen muotoiluteknologian MHI:n valonvastaanottoteknologiaan parantaaksemme langattoman lasertehonsiirron tehokkuutta. Suoritimme pitkän-etäisyyden optisen langattoman tehonsiirron kokeen ulkoympäristössä käyttämällä pitkän-etäisyyden litteän säteen muotoilutekniikkaa, joka muotoilee säteen lähetyspuolella tasaisen säteen intensiteetin saavuttamiseksi 1 kilometrin etenemisen jälkeen, ja lähtövirran tasoitustekniikkaa, joka vaimentaa ilmakehän vaihteluiden vaikutusta vastaanottopuolen homogenisaattorilla ja tasoituspiireillä.
Suoritimme tammikuusta helmikuuhun 2025 optisen langattoman tehonsiirron kokeen kiitotiellä Nanki-Shirahaman lentokentällä Shirahama Townissa, Nishimuron alueella, Wakayaman prefektuurissa (kuva 2). Kiitotien toiseen päähän asennettiin optisella lasersäteen lähettävällä järjestelmällä varustettu lähetyskoppi ja 1 kilometrin päähän valon{4}}vastaanottopaneelin sisältävä vastaanottokoppi.
Lähetyksen aikana laserin optinen akseli asetettiin alhaiselle korkeudelle, noin 1 metri, maanpinnasta ja suunnattiin vaakasuoraan. Tämän seurauksena palkkiin vaikuttivat voimakkaasti maan lämmitys ja tuuli, ja koe suoritettiin olosuhteissa, joissa ilmakehän turbulenssi oli voimakas.
Lähetyskopin sisällä syntyi lasersäde, jonka optinen teho oli 1035 W. Säde muotoiltiin diffraktiivisen optisen elementin (DOE) (Note3) avulla siten, että intensiteetti jakautuu tasaisesti 1 kilometrin etäisyydelle. Lisäksi säteen ohjauspeiliä käytettiin ohjaamaan muotoiltu säde tarkasti vastaanottopaneelia kohti. Säde poistui lähetyskopin aukosta ja eteni 1 kilometrin avoimen tilan poikki saavuttaen lopulta vastaanottokopin.
Etenemisen aikana ilmakehän turbulenssi aiheutti heilahteluja säteen intensiteetissä, mikä loi kuumia pisteitä. Nämä hajotettiin homogenisaattorilla vastaanottokopissa, jolloin vastaanottopaneeliin säteilytettiin tasainen säde. Lasersäde muunnettiin sitten tehokkaasti sähkötehoksi (kuva 3). Vastaanottavaan paneeliin otettiin käyttöön pii-pohjainen valosähköinen muunnoselementti ottaen huomioon sekä kustannukset että saatavuuden.
Tässä kokeessa vastaanottavasta paneelista otettu keskimääräinen sähköteho oli 152 W (kuvio 4), mikä vastaa 15 %:n langattoman tehonsiirron tehokkuutta, joka määritellään vastaanotetun sähkötehon suhteeksi lähetettyyn optiseen tehoon. Tämä tulos on maailman korkein optisen langattoman tehonsiirron tehokkuus, joka on koskaan osoitettu käyttämällä pii-pohjaista valosähköistä muunnoselementtiä voimakkaan ilmakehän turbulenssin olosuhteissa. Lisäksi jatkuvaa virransyöttöä ylläpidettiin onnistuneesti 30 minuutin ajan, mikä vahvistaa pitkän-keston voimansiirron toteutettavuuden tällä tekniikalla.
Huomautus: Turvallisuuden näkökulmasta optinen lähetysjärjestelmä ja vastaanottopaneeli asennettiin kumpikin koppien sisään estämään vahingossa altistuminen suuritehoisille-lasersäteille ja heijastuneen valon siroamiselle.
Tekniset kohokohdat
Pitkän-tasaisen säteen muotoilutekniikka
Valosähköisen muunnostehokkuuden parantamiseksi on välttämätöntä tehdä valosähköiseen muunnoselementtiin tulevan säteen intensiteettijakauma tasaiseksi.
Tässä tutkimuksessa ehdotimme säteen muotoilumenetelmää, joka mahdollistaa intensiteetin tasaisuuden pitkän{0}}etäisyyden etenemisen jälkeen. Tässä lähestymistavassa säteen ulompi osa muunnetaan renkaan-muotoiseksi kuvioksi aksikonilinssin vaikutuksella (Huom.4). Säteen keskiosa on vaihemoduloitu{5}}laajentumaan koveran linssin vaikutuksesta. Kun säde etenee, renkaan -muotoinen säde ja laajennettu keskisäde menevät vähitellen päällekkäin, mikä johtaa tasaiseen intensiteetin jakautumiseen kohdepaikassa, kuten kuvassa 5.
Koetta varten optimoimme säteen suunnittelun saavuttamaan haluttu intensiteettiprofiili 1 kilometrin etäisyydellä. Säteen muotoilu toteutettiin diffraktiivisella optisella elementillä, joka paransi säteen intensiteetin tasaisuutta 1 kilometrin päässä sijaitsevassa kohdepaikassa.
Lähtövirran tasoitustekniikka
Kun lasersäde etenee ilmakehän läpi, siihen vaikuttaa ilmakehän turbulenssi, joka häiritsee intensiteetin jakautumista. Vaikka yllä kuvattu litteän -säteen muotoilutekniikka voi yhtenäistää intensiteettijakauman, voimakas turbulenssi voi silti aiheuttaa korkean -intensiteetin pisteiden muodostumista, kuten kuvassa 6.
Tämän ongelman ratkaisemiseksi asetimme säteen homogenisaattorin valon{0}}vastaanottopaneelin eteen. Homogenisaattori hajottaa suuren-intensiteetin täpliä niin, että säde säteilytetään tasaisesti paneeliin. Lisäksi vastaanottopaneelin jokaiseen valosähköiseen muunnoselementtiin liitettiin tasoituspiirit. Nämä piirit auttavat estämään ilmakehän turbulenssin aiheuttamia lähtövirran vaihteluita ja auttavat vakauttamaan kokonaistehoa.
Nämä kaksi tekniikkaa mahdollistavat säteen tasaisuuden saavuttamisen kilometrijärjestyksessä{0}}lähetyksessä, mikä oli vaikeaa perinteisillä säteenmuotoilumenetelmillä, ja stabiloimaan ulostulon ulkoympäristöissä. Tämän seurauksena vakaan virransyötön syrjäisille paikoille, kuten eristyneille saarille ja katastrofin{2}}vaikutusalueille, odotetaan olevan mahdollista.
Jokaisen yrityksen rooli
NTT: Lähetysoptiikan, kuten säteen muotoilutekniikoiden, suunnittelu ja toteutus
MHI: Valodetektorioptiikan, kuten valoilmaisinpaneelien, homogenisaattorien ja tasoituspiirien suunnittelu ja toteutus
Tuleva kehitys
Tämä tekniikka mahdollistaa tehokkaan ja vakaan energian siirron pitkiä matkoja jopa ilmakehän turbulenssissa. Tässä kokeessa piitä käytettiin aurinkosähkömuunnoselementtinä. Kuitenkin käyttämällä aurinkosähkölaitteita, jotka on erityisesti suunniteltu vastaamaan laservalon aallonpituutta, voidaan odottaa vieläkin korkeampaa tehonsiirtotehoa. Lisäksi suuremman lähtötehon omaavien laservalolähteiden käyttö mahdollistaisi suurempien sähkömäärien syöttämisen.
Tämän seurauksena joustava ja nopea virransyöttö voidaan saavuttaa syrjäisillä alueilla, kuten katastrofien{0}}koettamilla alueilla ja syrjäisillä saarilla, joilla virtakaapeleiden asentaminen on perinteisesti ollut vaikeaa. Maanpäällisten sovellusten lisäksi tämän tekniikan pohjalta voidaan kuvitella monia uusia käyttötapauksia (kuva 7). Erityisesti lasersäteiden suuri suuntaavuus ja alhainen hajaantuminen mahdollistavat kompaktien ja kevyiden vastaanottolaitteiden suunnittelun. Tämä on suuri etu mobiilialustoille, joilla on tiukat paino- ja hyötykuormarajoitukset.
Esimerkiksi yhdistämällä tämä tekniikka säteen ohjaustekniikoihin on mahdollista toimittaa sähköä langattomasti lennon aikana oleville droneille. Näin vältytään toiminnallisilta rajoituksilta, kuten laskeutumiselta akun vaihtoa varten tai kytkettyjen virtajohtojen käyttöön, mikä mahdollistaa pitkän-keston ja pitkän{2}}matkan jatkuvan käytön. Tällaiset ominaisuudet voivat tehostaa katastrofi-alueen seurantaa sekä laajan-alueen tiedonvälitystä vuoristo- tai merialueilla, sovelluksia, joita aiemmin oli vaikea toteuttaa.
Lisäksi on odotettavissa mahdollisia sovelluksia avaruudessa, mukaan lukien tehonsyöttö mobiilialustoille, kuten HAPS (High Altitude Platform Station) (Note5), joka kuuluu NTT:n avaruusbrändin NTT C89 (Note6) piiriin. Tarkasteltaessa pidemmälle tulevaisuuteen, tekniikkaa voitaisiin soveltaa avaruustietokeskusten ja kuukulkijoihin sekä avaruuden aurinkovoimajärjestelmiin, joissa sähköä siirretään geostationaarisista satelliiteista maahan laserin avulla. Nämä sovellukset edustavat alueita, joilla on vahvat mahdollisuudet markkinoiden laajentamiseen.
NTT:n ja MHI:n yhteistyöllä olemme toteuttaneet maailman tehokkaimman langattoman lasertehonsiirtotekniikan olosuhteissa, joissa ilmakehän vaihtelut vaikuttavat voimakkaasti. Tämä saavutus on merkittävä askel kohti innovatiivisen teknologisen perustan rakentamista, joka pystyy vastaamaan monenlaisiin yhteiskunnallisiin tarpeisiin katastrofitoimista avaruuskehitykseen.
