TOKIO - 17 september 2025 -NTT, Inc. (hoofdkantoor: Chiyoda, Tokio; president en CEO: Akira Shimada; hierna "NTT") en Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. (hoofdkantoor: Chiyoda, Tokio; president en CEO: Eisaku Ito; hierna "MHI") voerden een optisch draadloos energietransmissie-experiment uit waarbij gebruik werd gemaakt van een laserstraal om energie draadloos over te dragen op een afstand van 1 kilometer. Door een laserstraal met een optisch vermogen van 1 kW te bestralen, zijn we erin geslaagd om op 1 kilometer afstand 152 W elektrisch vermogen te ontvangen. Dit markeert 's werelds hoogste efficiëntie van optische draadloze krachtoverdracht met behulp van een silicium foto-elektrisch conversie-element (Note2) in een omgeving met sterke atmosferische turbulentie.
Dit resultaat toont de haalbaarheid aan van het leveren van stroom aan afgelegen locaties. In de toekomst zal het naar verwachting worden toegepast op on-stroomtransmissie naar afgelegen eilanden en door rampen- getroffen gebieden waar stroomkabels niet kunnen worden geïnstalleerd.
Deze prestatie werd op 5 augustus 2025 gepubliceerd in het Britse tijdschrift Electronics Letters.
Achtergrond
De afgelopen jaren hebben draadloze energietransmissietechnologieën voor apparaten zoals smartphones, draagbare apparaten, drones en elektrische voertuigen, die elektriciteit kunnen leveren zonder kabels te gebruiken, steeds meer aandacht gekregen. Er zijn twee soorten draadloze energietransmissiesystemen: de ene maakt gebruik van microgolven en de andere maakt gebruik van laserstralen. Draadloze krachtoverdracht via microgolven wordt al in de praktijk toegepast en het gebruik ervan breidt zich uit. Aan de andere kant is optische draadloze energietransmissie met behulp van een laserstraal nog niet in de praktijk toegepast, maar er wordt verwacht dat deze compacte draadloze energietransmissie over lange afstanden in de orde van kilometers zal realiseren door gebruik te maken van de hoge richtingsgevoeligheid van de laserstraal (Figuur 1).
Toekomstperspectieven voorzien de ontwikkeling van een infrastructuur van de volgende- generatie die stroom kan leveren en de communicatiedekking kan uitbreiden in situaties en regio's waar elektriciteit of communicatienetwerken niet beschikbaar zijn, zoals tijdens rampen, op afgelegen eilanden, bergachtige gebieden of op zee. Dit omvat het nauwkeurig leveren van stroom aan specifieke gebieden of bewegende platforms zoals drones. Om een dergelijke uiterst nauwkeurige stroomlevering over lange- afstanden te bereiken, is laser-gebaseerde draadloze stroomtransmissie nodig die profiteert van de sterke richtingsgevoeligheid.
Uitdagingen van bestaande technologieën en prestaties van dit experiment
De efficiëntie van optische draadloze energietransmissietechnologie is over het algemeen laag, en verbetering van de efficiëntie is een probleem voor praktisch gebruik. Een van de redenen hiervoor is dat wanneer de laserstraal over lange-afstanden zich voortplant, vooral in de atmosfeer, de intensiteitsverdeling ongelijkmatig wordt en de efficiëntie van het omzetten van de laserstraal in elektrisch vermogen in het foto-elektrische conversie-element laag wordt.
In dit experiment hebben we de bundelvormingstechnologie van NTT gecombineerd met de lichtontvangsttechnologie van MHI om de efficiëntie van draadloze lasertransmissie te verbeteren. We hebben een experiment met optische draadloze energietransmissie over lange- afstanden uitgevoerd in een buitenomgeving met behulp van -flat beam shaping-technologie over grote afstanden, die de bundel aan de transmissiezijde vormgeeft om een uniforme bundelintensiteit te bereiken na een voortplanting van 1 kilometer, en uitgangsstroomnivelleringstechnologie die de invloed van atmosferische fluctuaties onderdrukt met een homogenisator en nivelleringscircuits aan de ontvangende zijde.
Van januari tot februari 2025 hebben we een optisch draadloos energietransmissie-experiment uitgevoerd op de landingsbaan van de Nanki-Shirahama Airport in Shirahama Town, Nishimuro District, Wakayama Prefecture (Figuur 2). Aan het ene uiteinde van de landingsbaan werd een zendcabine geïnstalleerd die was uitgerust met een optisch systeem voor het uitzenden van laserstralen, en een ontvangstcabine met daarin een licht-ontvangstpaneel werd 1 kilometer verderop geplaatst.
Tijdens de transmissie werd de optische as van de laser op een lage hoogte van ongeveer 1 meter boven de grond geplaatst en horizontaal uitgelijnd. Als gevolg hiervan werd de straal sterk beïnvloed door bodemverwarming en wind, en werd het experiment uitgevoerd onder omstandigheden met sterke atmosferische turbulentie.
In de zendcabine werd een laserstraal met een optisch vermogen van 1035 W gegenereerd. Met behulp van een diffractief optisch element (DOE) (Opmerking 3) werd de straal gevormd om een uniforme intensiteitsverdeling te creëren op een afstand van 1 kilometer. Bovendien werd een straalstuurspiegel gebruikt om de gevormde straal nauwkeurig naar het ontvangstpaneel te richten. De straal kwam door de opening van de zendcabine naar buiten en plantte zich over een kilometer open ruimte voort, om uiteindelijk de ontvangstcabine te bereiken.
Tijdens de voortplanting veroorzaakte atmosferische turbulentie fluctuaties in de intensiteit van de straal, waardoor hotspots ontstonden. Deze werden door een homogenisator in de ontvangstcabine verspreid, waardoor een uniforme straal op het ontvangstpaneel werd gestraald. De laserstraal werd vervolgens efficiënt omgezet in elektrische energie (Figuur 3). Voor het ontvangstpaneel werd een op silicium-gebaseerd foto-elektrisch conversie-element toegepast, waarbij rekening werd gehouden met zowel de kosten als de beschikbaarheid.
In dit experiment bedroeg het gemiddelde elektrische vermogen dat uit het ontvangende paneel werd gehaald 152 W (Figuur 4), wat overeenkomt met een draadloze vermogenstransmissie-efficiëntie van 15%, gedefinieerd als de verhouding tussen het ontvangen elektrische vermogen en het uitgezonden optische vermogen. Dit resultaat markeert 's werelds hoogste optische draadloze energietransmissie-efficiëntie die ooit is aangetoond met behulp van een op silicium-gebaseerd foto-elektrisch conversie-element onder omstandigheden van sterke atmosferische turbulentie. Bovendien werd de continue stroomtoevoer met succes gedurende 30 minuten gehandhaafd, wat de haalbaarheid van langdurige stroomtransmissie met deze technologie bevestigt.
Opmerking:Uit veiligheidsoogpunt zijn het optische transmissiesysteem en het ontvangstpaneel elk in cabines geïnstalleerd om onbedoelde blootstelling aan laserstralen met hoog-vermogen en de verstrooiing van gereflecteerd licht te voorkomen.
Technische hoogtepunten
Technologie voor het vormgeven van platte stralen over lange- afstanden
Om de efficiëntie van de foto-elektrische conversie te verbeteren, is het noodzakelijk om de intensiteitsverdeling van de op het foto-elektrische conversie-element invallende straal uniform te maken.
In dit onderzoek hebben we een methode voor bundelvorming voorgesteld die uniformiteit van de intensiteit mogelijk maakt na voortplanting over lange- afstanden. Bij deze benadering wordt het buitenste deel van de straal getransformeerd in een ring-vormig patroon met behulp van het effect van een axiconlens (Opmerking 4). Het centrale deel van de straal wordt in fase-gemoduleerd om uit te zetten door het effect van een concave lens. Terwijl de straal zich voortplant, overlappen de ring-vormige straal en de uitgezette centrale straal elkaar geleidelijk, wat resulteert in een uniforme intensiteitsverdeling op de doellocatie, zoals weergegeven in figuur 5.
Voor het experiment hebben we het straalontwerp geoptimaliseerd om het gewenste intensiteitsprofiel op een afstand van 1 kilometer te bereiken. De bundelvorming werd geïmplementeerd met behulp van een diffractief optisch element, dat de uniformiteit van de bundelintensiteit op de doelpositie op 1 kilometer afstand verbeterde.
Uitgangsstroomnivelleringstechnologie
Terwijl de laserstraal zich door de atmosfeer voortplant, wordt deze beïnvloed door atmosferische turbulentie, waardoor de intensiteitsverdeling wordt verstoord. Hoewel de hierboven beschreven techniek voor het vormen van een vlakke- bundel de intensiteitsverdeling uniform kan maken, kan sterke turbulentie nog steeds de vorming van vlekken met hoge- intensiteit veroorzaken, zoals weergegeven in afbeelding 6.
Om dit probleem aan te pakken, hebben we een bundelhomogenisator voor het licht-ontvangstpaneel geplaatst. De homogenisator diffundeert plekken met hoge intensiteit- zodat de straal gelijkmatig op het paneel wordt gestraald. Bovendien werden nivelleringscircuits aangesloten op elk foto-elektrisch conversie-element op het ontvangstpaneel. Deze circuits helpen fluctuaties in de uitgangsstroom te onderdrukken die worden veroorzaakt door atmosferische turbulentie en dragen bij aan het stabiliseren van de algehele vermogensafgifte.
Deze twee technologieën maken het mogelijk om bundeluniformiteit te bereiken in transmissie in kilometer{0}}-orde, wat moeilijk was met conventionele methoden voor bundelvorming, en om de output in buitenomgevingen te stabiliseren. Als gevolg hiervan wordt verwacht dat een stabiele stroomvoorziening naar afgelegen locaties, zoals geïsoleerde eilanden en door rampen- getroffen gebieden, haalbaar wordt.
Rol van elk bedrijf
NTT: Ontwerp en implementatie van transmissie-optica zoals beam shaping-technieken
MHI: Ontwerp en implementatie van fotodetectoroptiek zoals fotodetectorpanelen, homogenisatoren en nivelleringscircuits
Toekomstige ontwikkelingen
Deze technologie maakt een efficiënte en stabiele overdracht van energie over lange afstanden mogelijk, zelfs onder atmosferische turbulentie. In dit experiment werd silicium gebruikt als fotovoltaïsch conversie-element. Door gebruik te maken van fotovoltaïsche apparaten die specifiek zijn ontworpen om overeen te komen met de golflengte van het laserlicht, kan echter een nog hogere efficiëntie van de energieoverdracht worden verwacht. Bovendien zou het gebruik van laserlichtbronnen met een hoger uitgangsvermogen het mogelijk maken grotere hoeveelheden elektriciteit te leveren.
Als gevolg hiervan kan een flexibele en snelle stroomvoorziening worden bereikt in afgelegen gebieden, zoals door rampen getroffen regio's- en afgelegen eilanden, waar de installatie van stroomkabels van oudsher moeilijk is. Naast landtoepassingen kan op basis van deze technologie ook een breed scala aan nieuwe gebruiksscenario's worden overwogen (Figuur 7). Met name de hoge gerichtheid en lage divergentie van laserstralen maken het ontwerp van compacte en lichtgewicht ontvangstapparaten mogelijk. Dit is een groot voordeel voor mobiele platforms die te maken hebben met strikte beperkingen op het gebied van gewicht en laadvermogen.
Door deze technologie te combineren met straalsturingstechnieken wordt het bijvoorbeeld mogelijk om draadloos stroom te leveren aan drones tijdens de vlucht. Hierdoor worden operationele beperkingen vermeden, zoals het landen voor het vervangen van de batterij of het gebruik van vastgebonden voedingskabels, waardoor continu gebruik op lange-duur en over lange- afstanden mogelijk is. Dergelijke capaciteiten kunnen de monitoring van rampgebieden- en de communicatie over grote- gebieden in bergachtige of maritieme gebieden verbeteren, toepassingen die voorheen moeilijk te realiseren waren.
Daarnaast worden potentiële toepassingen in de ruimte verwacht, waaronder stroomlevering aan mobiele platforms zoals HAPS (High Altitude Platform Station) (Note5), dat binnen de reikwijdte valt van NTT's ruimtemerk, NTT C89 (Note6). Als we verder vooruitkijken, zou de technologie kunnen worden toegepast op datacentra in de ruimte en maanrovers, maar ook op zonne-energiesystemen in de ruimte, waarbij elektriciteit van geostationaire satellieten via laser naar de grond wordt verzonden. Deze toepassingen vertegenwoordigen gebieden met een groot potentieel voor marktuitbreiding.
Door de samenwerking tussen NTT en MHI hebben we 's werelds meest efficiënte draadloze laserenergieoverdrachtstechnologie gerealiseerd onder omstandigheden die sterk worden beïnvloed door atmosferische schommelingen. Deze prestatie vertegenwoordigt een belangrijke stap in de richting van het bouwen van een innovatieve technologische basis die kan voldoen aan een breed scala aan maatschappelijke behoeften, van rampenbestrijding tot ruimtevaartontwikkeling.
