Laser zamiast ładowarki i kabla. Nowy odbiornik ma dostarczać dronom energię bez konieczności lądowania. To może być prawdziwa rewolucja.
Chińscy naukowcy zbudowali niewielki odbiornik działający trochę jak panel fotowoltaiczny przygotowany do pracy z jednym, bardzo konkretnym źródłem światła. Zamiast zbierać rozproszone promienie słoneczne, urządzenie przyjmuje skoncentrowaną wiązkę zielonego lasera. Sercem układu jest ogniwo perowskitowe. Gdy trafiają w nie fotony, powstaje prąd elektryczny, który może zasilić silnik albo uzupełniać energię w akumulatorze. Podobna zasada działa w zwykłej fotowoltaice, ale tutaj materiał został dopasowany do określonej długości fali.
Sam perowskit nie wykorzystuje jednak całej dostarczonej energii. Część zamienia się w ciepło, dlatego badacze dołożyli drugą warstwę – termoelektryczną. Korzysta ona z różnicy temperatur pomiędzy rozgrzaną stroną odbiornika a chłodniejszą powierzchnią znajdującą się dalej od lasera. W ten sposób urządzenie odzyskuje część energii, która normalnie zostałaby zmarnowana. Połączenie obu warstw osiągnęło sprawność wynoszącą 38,49 proc. Oznacza to, iż nieco ponad 1/3 energii dostarczonej wiązką została zamieniona na użyteczny prąd.
Dla zwykłej ładowarki byłby to wynik daleki od ideału. W przypadku bezprzewodowego przesyłania energii światłem jest jednak bardzo dobry, zwłaszcza iż odbiornik ma być lekki i możliwy do wbudowania w skrzydło.
Najpierw omal nie ugotowali odbiornika
Co ciekawe, laser nie tylko dostarczał energię, ale też rozgrzewał urządzenie do 80-90 st. C. W takiej temperaturze spadała jego sprawność, a dłuższa praca mogłaby przyspieszyć degradację materiałów. To jeden z podstawowych problemów z laserowym zasilaniem. Im większą moc chcemy przesłać na małą powierzchnię, tym trudniej pozbyć się ciepła. Nie wystarczy więc skonstruować wydajnego ogniwa. Trzeba jeszcze sprawić, by nie usmażyło się podczas pierwszego dłuższego lotu.
Naukowcy dodali do urządzenia nanokryształy triselenku antymonu. Materiał słabo przewodzi ciepło, dzięki czemu działa jak bariera i pomaga utrzymać odpowiedni rozkład temperatur w warstwie termoelektrycznej.
Drugim elementem chłodzenia stał się sam dron. Odbiornik umieszczono pod skrzydłem nieruchomego modelu, a przez konstrukcję poprowadzono kanały powietrzne. Obracające się śmigło wymuszało przepływ powietrza, który schładzał zimną stronę urządzenia i zwiększał różnicę temperatur pomiędzy warstwami. Śmigło napędzane energią z lasera jednocześnie pomagało chłodzić odbiornik, który tę energię dostarczał.
Następny test odbędzie się już w powietrzu
W samym eksperymencie model stał nieruchomo. Laser był ustawiony, odbiornik się nie przemieszczał, a całość pracowała w kontrolowanych warunkach. Nie pokazano jeszcze drona wiszącego nad ziemią wyłącznie dzięki energii wysyłanej wiązką. Według zapowiedzi taki test ma być jednak następnym krokiem. Odbiornik zostanie zamontowany na lekkim dronie, który ma polecieć na zewnątrz. Dopiero wtedy zaczną się najtrudniejsze problemy.
Laser będzie musiał cały czas trafiać w stosunkowo niewielką powierzchnię poruszającej się maszyny. Dron może zmieniać wysokość, skręcać, przechylać się na wietrze i na moment zasłaniać odbiornik własnym skrzydłem. System musi więc znać jego położenie i niemal bez opóźnienia sterować wiązką.
Do tego dochodzi oczywiście sama atmosfera. Mgła, deszcz, pył, dym i silne turbulencje powietrza rozpraszają światło oraz zmniejszają ilość energii docierającej do odbiornika. Laser wymaga też bezpośredniej widoczności – gdy dron schowa się za budynkiem, drzewami albo zboczem, zasilanie zostanie przerwane.
Właśnie dlatego taki bezzałogowiec przez cały czas prawdopodobnie będzie potrzebował akumulatora. Bateria przejmie pracę podczas manewru, chwilowej utraty wiązki albo lotu poza zasięgiem nadajnika. Laser nie tyle całkowicie zastąpi akumulator, ile pozwoli wielokrotnie wydłużyć czas jego działania.
Jedni budują nadajnik, oni poprawiają odbiornik
Pomysł zasilania dronów laserem nie pojawił się po raz pierwszy. Jak pisaliśmy w tekście: Drony, które nie muszą lądować. Przyszłość to laser, amerykańska firma PowerLight rozwija naziemny nadajnik dostarczający energię na odległość liczoną w kilometrach.
Tam głównym wyzwaniem jest jednak śledzenie lecącego celu, sterowanie wiązką i zapewnienie bezpiecznego wyłączenia systemu, gdy pomiędzy nadajnikiem a dronem pojawi się przeszkoda. Odbiornik montowany na maszynie waży około 2,7 kg, więc nadaje się raczej do większych platform niż małych quadcopterów. Chińscy badacze podeszli do problemu od zupełnie drugiej strony. Skupili się na materiale, sprawności oraz chłodzeniu niewielkiego odbiornika, który można schować w konstrukcji skrzydła.
Inny zespół pokazał wcześniej, iż mała maszyna może utrzymywać się w powietrzu dzięki samemu światłu. Prototypowy dron zasilany energią słoneczną latał przez ponad godzinę, ale był bardzo lekki i mógł unieść zaledwie kilka gramów. Laser ma tę przewagę, iż dostarcza skoncentrowaną energię niezależnie od pory dnia, choć wymaga osobnego nadajnika i precyzyjnego celowania.
Światło może zastąpić kabel, ale nie prawa fizyki
Najbardziej oczywiste zastosowania to chyba przede wszystkim długie misje obserwacyjne. Dron pilnujący lasu, granicy, pożaru albo uszkodzonej infrastruktury mógłby godzinami krążyć w zasięgu naziemnej stacji. Nie trzeba byłoby przerywać pracy na lądowanie i wymianę baterii.
Takie rozwiązanie zainteresuje też najprawdopodobniej wojsko. Maszyna rozpoznawcza mogłaby wisieć nad bazą lub określonym odcinkiem terenu znacznie dłużej niż obecne konstrukcje akumulatorowe. Jednocześnie nadajnik laserowy stałby się łatwym do wykrycia i ważnym celem dla przeciwnika.
Pozostaje również kwestia bezpieczeństwa. Silnego lasera nie można swobodnie przesuwać po niebie. System musi natychmiast przerwać pracę, gdy wiązkę przetnie samolot, człowiek, zwierzę albo pojazd. Potrzebne będą precyzyjne czujniki, wyznaczone strefy działania i odpowiednie przepisy.
Naukowcy pokazali więc istotny element układanki, a nie gotową ładowarkę do dronów. Śmigło już się obróciło, sprawność wygląda obiecująco, a problem przegrzewania udało się częściowo opanować. Teraz urządzenie musi opuścić stabilny stół laboratoryjny i trafić na maszynę, która naprawdę lata. Dopiero wtedy okaże się, czy zielony laser jest początkiem epoki dronów krążących godzinami bez lądowania, czy tylko bardzo efektownym sposobem na uruchomienie śmigła.
*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI
