טוקיו - 17 בספטמבר, 2025 -NTT, Inc. (מטה: Chiyoda, טוקיו; נשיא ומנכ"ל: Akira Shimada; להלן "NTT") ומיצובישי Heavy Industries, Ltd. (מטה: Chiyoda, Tokyo; נשיא ומנכ"ל: Eisaku Ito; להלן "MHI") ערכו ניסוי שידור כוח אלחוטי אופטי באמצעות קרן אנרגיה לייזר לשידור אלחוטי במרחק של קילומטר אחד. על ידי הקרנת קרן לייזר בהספק אופטי של 1 קילוואט, הצלחנו לקבל 152 וואט של הספק חשמלי במרחק של קילומטר אחד. זה מסמן את היעילות הגבוהה ביותר בעולם של שידור כוח אלחוטי אופטי באמצעות אלמנט המרה פוטואלקטרי סיליקון (הערה 2) בסביבה עם מערבולות אטמוספריות חזקות.
תוצאה זו מדגימה את ההיתכנות של אספקת כוח לאתרים מרוחקים. בעתיד, זה צפוי להיות מיושם על-העברת חשמל לפי דרישה לאיים מרוחקים ואזורים מוכי אסון- שבהם לא ניתן להתקין כבלי חשמל.
הישג זה פורסם במגזין הבריטי Electronics Letters ב-5 באוגוסט 2025.
רֶקַע
בשנים האחרונות, טכנולוגיות העברת חשמל אלחוטיות למכשירים כמו סמארטפונים, מכשירים לבישים, מזל"טים וכלי רכב חשמליים, שיכולים לספק חשמל ללא שימוש בכבלים, זכו לתשומת לב גוברת. ישנם שני סוגים של מערכות העברת כוח אלחוטיות: האחת משתמשת במיקרוגל והשנייה משתמשת בקרני לייזר. שידור כוח אלחוטי במיקרוגל כבר בשימוש מעשי והשימוש בו הולך ומתרחב. מצד שני, העברת כוח אלחוטית אופטית באמצעות קרן לייזר לא הוכנסה לשימוש מעשי, אך היא צפויה לממש העברת כוח אלחוטית קומפקטית-למרחקים בסדר גודל של קילומטרים על ידי ניצול הכיווניות הגבוהה של קרן הלייזר (איור 1).
לקוחות פוטנציאליים צופים את הפיתוח של-תשתית הדור הבא המסוגלת לספק חשמל ולהרחיב את כיסוי התקשורת במצבים ואזורים שבהם חשמל או רשתות תקשורת אינן זמינות, כגון במהלך אסונות, באיים מרוחקים, באזורים הרריים או בים. זה כולל אספקת כוח בדיוק לאזורים ספציפיים או לפלטפורמות נעות כגון רחפנים. השגת אספקת חשמל מדוייקת מאוד ולמרחקים ארוכים כל כך דורשת שידור כוח אלחוטי מבוסס לייזר- המנצל את הכיווניות החזקה שלו.
אתגרים של טכנולוגיות קיימות והישגים של ניסוי זה
היעילות של טכנולוגיית העברת כוח אלחוטית אופטית היא בדרך כלל נמוכה, ושיפור היעילות הוא נושא לשימוש מעשי. אחת הסיבות לכך היא שכאשר קרן לייזר למרחקים ארוכים-מתפשטת, במיוחד באטמוספירה, חלוקת העוצמה הופכת לא אחידה, והיעילות של המרת קרן לייזר לכוח חשמלי באלמנט ההמרה הפוטואלקטרי הופכת נמוכה.
בניסוי זה, שילבנו את טכנולוגיית עיצוב האלומה של NTT עם טכנולוגיית קליטת האור של MHI כדי לשפר את היעילות של שידור כוח אלחוטי בלייזר. ערכנו ניסוי -למרחקים ארוכים של שידור כוח אלחוטי אופטי בסביבה חיצונית תוך שימוש בטכנולוגיית עיצוב קרן שטוחה למרחקים- ארוכים המעצבים את האלומה בצד השידור כדי להשיג עוצמת קרן אחידה לאחר התפשטות של קילומטר אחד, וטכנולוגיית פילוס זרם פלט שמדכאת את ההשפעה של תנודות אטמוספריות עם הומוגנייזר ומעגלי הרמה על הקולט.
מינואר עד פברואר 2025, ערכנו ניסוי אופטי של שידור כוח אלחוטי על המסלול בנמל התעופה Nanki-Shirahama בעיר Shirahama, מחוז Nishimuro, מחוז Wakayama (איור 2). תא שידור מצויד במערכת אופטית לפליטת קרן לייזר הותקן בקצה אחד של המסלול, ותא קליטה המכיל לוח קליט- אור הוצב במרחק של קילומטר אחד משם.
במהלך השידור, הציר האופטי של הלייזר נקבע בגובה נמוך של כ-1 מטר מעל פני הקרקע ויושר אופקית. כתוצאה מכך, הקרן הושפעה מאוד מחימום קרקע ומרוח, והניסוי נערך בתנאים עם מערבולות אטמוספריות חזקות.
בתוך תא השידור נוצרה קרן לייזר בהספק אופטי של 1035 W. באמצעות אלמנט אופטי דיפרקטיבי (DOE) (הערה 3), הקרן עוצבה ליצירת חלוקת עוצמה אחידה במרחק של קילומטר אחד. בנוסף, נעשה שימוש במראה היגוי קרן כדי לכוון במדויק את הקרן המעוצבת לכיוון הלוח הקולט. האלומה יצאה דרך הפתח של תא השידור והתפשטה על פני קילומטר אחד של שטח פתוח, ובסופו של דבר הגיעה לתא הקליטה.
במהלך ההתפשטות, מערבולת אטמוספרית גרמה לתנודות בעוצמת האלומה, ויצרה נקודות חמות. אלה פוזרו על ידי הומוגגניזר בתא הקליטה, וכתוצאה מכך קרן אחידה הוקרנה על לוח הקליטה. לאחר מכן הומרה קרן הלייזר ביעילות לכוח חשמלי (איור 3). רכיב המרה פוטו-אלקטרי מבוסס סיליקון אומץ לפאנל המקבל, תוך התחשבות בעלות וזמינות.
בניסוי זה, ההספק החשמלי הממוצע שהופק מהפאנל המקבל היה 152 ואט (איור 4), המקביל ליעילות שידור הספק אלחוטי של 15%, המוגדרת כיחס בין הספק חשמלי שהתקבל להספק אופטי משודר. תוצאה זו מסמנת את יעילות שידור הכוח האלחוטית האופטית הגבוהה ביותר בעולם שהוכחה אי פעם באמצעות אלמנט המרה פוטו-אלקטרי מבוסס סיליקון בתנאים של מערבולות אטמוספריות חזקות. יתר על כן, אספקת חשמל רציפה נשמרה בהצלחה במשך 30 דקות, מה שמאשר את ההיתכנות של העברת כוח לטווח ארוך- תוך שימוש בטכנולוגיה זו.
הערה:מנקודת מבט בטיחותית, מערכת השידור האופטית ולוח הקליטה הותקנו כל אחד בתוך תאי תא כדי למנוע חשיפה מקרית לקרני לייזר-בהספק גבוה ופיזור האור המוחזר.
דגשים טכניים
טכנולוגיית עיצוב קרן שטוחה-למרחקים ארוכים
כדי לשפר את יעילות ההמרה הפוטואלקטרית, יש צורך להפוך את התפלגות העוצמה של האלומה הנכנסת על אלמנט ההמרה הפוטואלקטרי לאחידה.
במחקר זה, הצענו שיטת עיצוב קרן המאפשרת אחידות בעוצמה לאחר התפשטות- למרחקים ארוכים. בגישה זו, החלק החיצוני של האלומה הופך לתבנית בצורת טבעת- תוך שימוש בהשפעה של עדשת ציר (הערה 4). החלק המרכזי של הקרן מאופנן לשלב- כדי להתרחב באמצעות השפעת עדשה קעורה. כאשר הקרן מתפשטת, הקרן בצורת הטבעת- והקרן המרכזית המורחבת חופפות בהדרגה, וכתוצאה מכך חלוקת עוצמה אחידה במיקום היעד, כפי שמוצג באיור 5.
לצורך הניסוי, ביצענו אופטימיזציה של עיצוב האלומה כדי להשיג את פרופיל העוצמה הרצוי במרחק של קילומטר אחד. עיצוב הקרן בוצע באמצעות אלמנט אופטי דיפרקטיבי, אשר שיפר את אחידות עוצמת הקרן במיקום המטרה הממוקם במרחק של קילומטר אחד משם.
טכנולוגיית פילוס זרם פלט
כאשר קרן הלייזר מתפשטת באטמוספרה, היא מושפעת מערבולנטיות אטמוספריות, שמפריעות להפצת העוצמה. למרות שטכניקת עיצוב הקרן השטוחה- המתוארת לעיל יכולה לייחד את חלוקת העוצמה, טורבולנטיות חזקה עדיין יכולה לגרום להיווצרות כתמים בעוצמה גבוהה-, כפי שמוצג באיור 6.
כדי לטפל בבעיה זו, הצבנו הומוגנית קרן מול לוח קליטת האור.- ההומוגנית מפזר כתמים בעוצמה גבוהה- כך שהקרן מוקרנת באופן אחיד על הפאנל. בנוסף, חוברו מעגלי פילוס לכל אלמנט המרה פוטו-אלקטרי בלוח המקבל. מעגלים אלו עוזרים לדכא תנודות בזרם המוצא הנגרמות על ידי מערבולות אטמוספריות ותורמים לייצוב תפוקת הכוח הכוללת.
שתי הטכנולוגיות הללו מאפשרות להשיג אחידות אלומה בהעברת סדר קילומטרים-, דבר שהיה קשה בשיטות עיצוב אלומה קונבנציונליות, ולייצב את הפלט בסביבות חיצוניות. כתוצאה מכך, אספקת חשמל יציבה למיקומים מרוחקים כגון איים מבודדים ואזורים מושפעי אסון- צפויה להיות אפשרית.
תפקידה של כל חברה
NTT: תכנון והטמעה של אופטיקה שידור כגון טכניקות עיצוב קרן
MHI: תכנון והטמעה של אופטיקה של גלאי פוטו כגון לוחות פוטו-גלאי, הומוגניזרים ומעגלי פילוס
התפתחויות עתידיות
טכנולוגיה זו מאפשרת העברה יעילה ויציבה של אנרגיה למרחקים ארוכים גם תחת מערבולות אטמוספריות. בניסוי זה, נעשה שימוש בסיליקון כאלמנט ההמרה הפוטו-וולטאית. עם זאת, על ידי שימוש במכשירים פוטו-וולטאיים שתוכננו במיוחד כדי להתאים את אורך הגל של אור הלייזר, ניתן לצפות ליעילות העברת כוח גבוהה עוד יותר. בנוסף, השימוש במקורות אור לייזר עם הספק פלט גבוה יותר יאפשר לספק כמויות גדולות יותר של חשמל.
כתוצאה מכך, ניתן להשיג אספקת חשמל גמישה ומהירה באזורים מרוחקים כמו-אזורים מוכי אסון ואיים מרוחקים, שבהם התקנת כבלי חשמל הייתה קשה באופן מסורתי. מעבר ליישומים יבשתיים, ניתן לדמיין מגוון רחב של מקרי שימוש חדשים המבוססים על טכנולוגיה זו (איור 7). יש לציין כי הכיווניות הגבוהה והדיברגנציה הנמוכה של קרני הלייזר מאפשרות עיצוב של מכשירי קליטה קומפקטיים וקלים. זהו יתרון מרכזי לפלטפורמות ניידות המתמודדות עם מגבלות קפדניות במשקל וביכולת המטען.
לדוגמה, על ידי שילוב של טכנולוגיה זו עם טכניקות היגוי קרן, ניתן לספק כוח באופן אלחוטי לרחפנים בטיסה. כך נמנעים מגבלות תפעוליות כגון נחיתה לצורך החלפת סוללה או שימוש בכבלי אספקת חשמל קשורים, מה שמאפשר פעולה רציפה-ארוכה ובמרחק-ארוך. יכולות כאלה יכולות לשפר-ניטור אזורי אסונות וכן ממסר תקשורת רחב- באזורים הרריים או ימיים, יישומים שבעבר היה קשה לממשם.
בנוסף, צפויים יישומים פוטנציאליים בחלל, לרבות אספקת חשמל לפלטפורמות ניידות כגון HAPS (High Altitude Platform Station)(Note5), הנופלת בגדר מותג החלל של NTT, NTT C89(Note6). במבט קדימה, הטכנולוגיה יכולה להיות מיושמת למרכזי נתונים בחלל ורוברים ירחיים, כמו גם למערכות אנרגיה סולארית בחלל שבהן החשמל מועבר מלוויינים גיאוסטציוניים לקרקע באמצעות לייזר. יישומים אלה מייצגים אזורים בעלי פוטנציאל חזק להתרחבות שוק.
באמצעות שיתוף הפעולה בין NTT ו-MHI, הבנו את טכנולוגיית העברת הכוח האלחוטית בלייזר היעילה ביותר בעולם בתנאים המושפעים מאוד מתנודות אטמוספריות. הישג זה מהווה צעד משמעותי לקראת בניית בסיס טכנולוגי חדשני שיכול לענות על מגוון רחב של צרכים חברתיים, מתגובת אסון ועד פיתוח חלל.
