TOKYO - 17 september 2025 -NTT, Inc. (huvudkontor: Chiyoda, Tokyo; VD och koncernchef: Akira Shimada; nedan kallat "NTT") och Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. (huvudkontor: Chiyoda, Tokyo; VD och koncernchef: Eisaku Ito; nedan kallat "MHI") genomförde ett experiment med optisk trådlös kraftöverföring med laserenergistråle för att sända 1 kilometer trådlöst bort. Genom att bestråla laserstrålen med en optisk effekt på 1 kW lyckades vi ta emot 152 W elektrisk effekt 1 kilometer bort. Detta markerar världens högsta effektivitet för en optisk trådlös kraftöverföring som använder ett fotoelektriskt kiselomvandlingselement (Note2) i en miljö med stark atmosfärisk turbulens.
Detta resultat visar möjligheten att leverera kraft till avlägsna platser. I framtiden förväntas den tillämpas på-kraftöverföring på begäran till avlägsna öar och katastrofdrabbade-områden där strömkablar inte kan installeras.
Denna prestation publicerades i den brittiska tidskriften Electronics Letters den 5 augusti 2025.
Bakgrund
Under de senaste åren har trådlös kraftöverföringsteknik för enheter som smartphones, bärbara enheter, drönare och elfordon, som kan leverera el utan att använda kablar, fått ökad uppmärksamhet. Det finns två typer av trådlösa kraftöverföringssystem: ett använder mikrovågor och det andra använder laserstrålar. Trådlös kraftöverföring i mikrovågsugn är redan i praktisk användning och användningen ökar. Å andra sidan har optisk trådlös kraftöverföring med laserstråle inte tagits i praktisk användning, men den förväntas realisera kompakt trådlös kraftöverföring på långa avstånd i storleksordningen kilometer genom att dra fördel av laserstrålens höga riktningsförmåga (Figur 1).
Framtidsutsikter föreställer sig utvecklingen av nästa-generations infrastruktur som kan leverera ström och utöka kommunikationstäckningen i situationer och regioner där elektricitet eller kommunikationsnätverk inte är tillgängliga, till exempel under katastrofer, på avlägsna öar, bergsområden eller till havs. Detta inkluderar att leverera kraft exakt till specifika områden eller rörliga plattformar som drönare. För att uppnå så mycket exakt och långa-strömleveranser krävs laser-baserad trådlös kraftöverföring som drar fördel av dess starka riktningsförmåga.
Utmaningar av befintlig teknik och prestationer av detta experiment
Effektiviteten hos optisk trådlös kraftöverföringsteknik är i allmänhet låg, och förbättring av effektiviteten är en fråga för praktisk användning. En av anledningarna till detta är att när långsträcka-laserstrålen utbreder sig, särskilt i atmosfären, blir intensitetsfördelningen ojämn, och effektiviteten för att omvandla laserstrålen till elektrisk kraft i det fotoelektriska omvandlingselementet blir låg.
I detta experiment kombinerade vi NTT:s strålformningsteknologi med MHI:s ljusmottagande teknologi för att förbättra effektiviteten hos trådlös laserkraftöverföring. Vi genomförde ett experiment med optisk trådlös kraftöverföring på långa avstånd i en utomhusmiljö med hjälp av långdistansformningsteknik för platta strålar som formar strålen på transmissionssidan för att uppnå enhetlig strålintensitet efter 1 kilometers utbredning, och utströmsutjämningsteknik som undertrycker påverkan av atmosfäriska fluktuationer med en homogenisator och utjämningskretsar på mottagningssidan.
Från januari till februari 2025 genomförde vi ett experiment med optisk trådlös kraftöverföring på landningsbanan på Nanki-Shirahama flygplats i Shirahama Town, Nishimuro District, Wakayama Prefecture (Figur 2). En sändningsbås utrustad med ett optiskt system för att sända ut laserstråle installerades i ena änden av banan, och en mottagningsbås med en ljus-mottagningspanel placerades 1 kilometer bort.
Under överföringen ställdes laserns optiska axel på en låg höjd av cirka 1 meter över marken och riktades in horisontellt. Som ett resultat påverkades strålen kraftigt av markvärme och vind och experimentet genomfördes under förhållanden med stark atmosfärisk turbulens.
Inuti transmissionsbåset genererades en laserstråle med en optisk effekt på 1035 W. Med hjälp av ett diffraktivt optiskt element (DOE) (Note 3) formades strålen för att skapa en enhetlig intensitetsfördelning på ett avstånd av 1 kilometer. Dessutom användes en strålstyrningsspegel för att exakt rikta den formade strålen mot den mottagande panelen. Strålen gick ut genom öppningen i sändningsbåset och fortplantade sig över 1 kilometer öppet utrymme och nådde slutligen mottagningsbåset.
Under fortplantningen orsakade atmosfärisk turbulens fluktuationer i strålens intensitet, vilket skapade hot spots. Dessa spreds av en homogenisator i mottagningsbåset, vilket resulterade i att en enhetlig stråle bestrålades på mottagningspanelen. Laserstrålen omvandlades sedan effektivt till elektrisk kraft (Figur 3). Ett kiselbaserat-fotoelektriskt omvandlingselement användes för den mottagande panelen, med hänsyn till både kostnad och tillgänglighet.
I detta experiment var den genomsnittliga elektriska effekten som extraherades från den mottagande panelen 152 W (Figur 4), vilket motsvarar en trådlös kraftöverföringseffektivitet på 15 %, definierad som förhållandet mellan mottagen elektrisk effekt och överförd optisk effekt. Detta resultat markerar världens högsta optiska trådlösa kraftöverföringseffektivitet som någonsin demonstrerats med ett kisel-baserat fotoelektriskt omvandlingselement under förhållanden med stark atmosfärisk turbulens. Dessutom upprätthölls kontinuerlig strömförsörjning framgångsrikt i 30 minuter, vilket bekräftar genomförbarheten av lång-kraftöverföring med denna teknik.
Obs: Ur ett säkerhetsperspektiv var det optiska transmissionssystemet och mottagningspanelen installerade i bås för att förhindra oavsiktlig exponering för hög-laserstrålar och spridning av reflekterat ljus.
Tekniska höjdpunkter
Långa-teknik för formning av platt stråle
För att förbättra effektiviteten för den fotoelektriska omvandlingen är det nödvändigt att göra intensitetsfördelningen av strålen som infaller på det fotoelektriska omvandlingselementet enhetlig.
I den här studien föreslog vi en stråleformningsmetod som möjliggör intensitetslikformighet efter långa-avståndsutbredning. I detta tillvägagångssätt omvandlas den yttre delen av strålen till ett -ringformat mönster med hjälp av effekten av en axiconlins (not 4). Den centrala delen av strålen är fas-modulerad för att expandera genom effekten av en konkav lins. När strålen fortplantar sig överlappar den ringformade-strålen och den expanderade centrala strålen gradvis, vilket resulterar i en enhetlig intensitetsfördelning vid målplatsen, som visas i figur 5.
För experimentet optimerade vi stråldesignen för att uppnå den önskade intensitetsprofilen på ett avstånd av 1 kilometer. Strålformningen implementerades med hjälp av ett diffraktivt optiskt element, vilket förbättrade enhetligheten hos strålintensiteten vid målpositionen belägen 1 kilometer bort.
Utgående strömavjämningsteknik
När laserstrålen fortplantar sig genom atmosfären påverkas den av atmosfärisk turbulens, vilket stör intensitetsfördelningen. Även om den plana-stråleformningstekniken som beskrivs ovan kan enhetliga intensitetsfördelningen, kan stark turbulens fortfarande orsaka bildandet av hög-intensiva fläckar, som visas i figur 6.
För att lösa det här problemet placerade vi en strålhomogenisator framför den ljus-mottagande panelen. Homogenisatorn sprider hög-intensiva fläckar så att strålen likformigt bestrålas på panelen. Dessutom var utjämningskretsar anslutna till varje fotoelektriskt omvandlingselement på den mottagande panelen. Dessa kretsar hjälper till att undertrycka fluktuationer i utströmmen orsakade av atmosfärisk turbulens och bidrar till att stabilisera den totala uteffekten.
Dessa två tekniker gör det möjligt att uppnå strållikformighet i kilometer-ordningsöverföring, vilket var svårt med konventionella strålformningsmetoder, och att stabilisera uteffekten i utomhusmiljöer. Som ett resultat förväntas stabil strömförsörjning till avlägsna platser som isolerade öar och områden som drabbats av katastrof- bli möjlig.
Varje företags roll
NTT: Design och implementering av transmissionsoptik såsom strålformningstekniker
MHI: Design och implementering av fotodetektoroptik som fotodetektorpaneler, homogenisatorer och utjämningskretsar
Framtida utveckling
Denna teknik möjliggör effektiv och stabil överföring av energi över långa avstånd även under atmosfärisk turbulens. I detta experiment användes kisel som det fotovoltaiska omvandlingselementet. Men genom att använda solcellsanordningar speciellt utformade för att matcha laserljusets våglängd kan man förvänta sig ännu högre effektöverföringseffektivitet. Dessutom skulle användningen av laserljuskällor med högre uteffekt göra det möjligt att leverera större mängder el.
Som ett resultat kan flexibel och snabb strömförsörjning uppnås i avlägsna områden som-katastrofdrabbade regioner och avlägsna öar, där installationen av strömkablar traditionellt har varit svår. Utöver markbaserade applikationer kan ett brett utbud av nya användningsfall också föreställas baserat på denna teknik (Figur 7). Den höga riktningen och låga divergensen hos laserstrålar möjliggör design av kompakta och lätta mottagningsenheter. Detta är en stor fördel för mobila plattformar som möter strikta begränsningar i vikt och nyttolastkapacitet.
Till exempel, genom att kombinera denna teknik med strålstyrningstekniker, blir det möjligt att leverera kraft trådlöst till drönare under flygning. Detta undviker driftsbegränsningar som att landa för batteribyte eller användning av anslutna strömkablar, vilket möjliggör lång-varaktighet och lång-kontinuerlig drift. Sådana funktioner kan förbättra katastrof-områdesövervakning och breda-kommunikationsrelä i bergiga eller maritima regioner, tillämpningar som tidigare var svåra att realisera.
Dessutom förväntas potentiella tillämpningar i rymden, inklusive kraftleverans till mobila plattformar som HAPS (High Altitude Platform Station)(Note5), som faller inom ramen för NTT:s rymdvarumärke, NTT C89(Note6). Om man ser längre fram, kan tekniken användas för att driva rymddatacenter och månrovers, såväl som på rymdsolenergisystem där elektricitet överförs från geostationära satelliter till marken via laser. Dessa applikationer representerar områden med stor potential för marknadsexpansion.
Genom samarbetet mellan NTT och MHI har vi realiserat världens mest effektiva laser trådlös kraftöverföringsteknik under förhållanden starkt påverkade av atmosfäriska fluktuationer. Denna prestation representerar ett viktigt steg mot att bygga en innovativ teknisk grund som kan möta ett brett spektrum av samhälleliga behov, från katastrofhantering till rymdutveckling.
