TOKYO - 17. september 2025 -NTT, Inc. (hovedkvarter: Chiyoda, Tokyo; president og administrerende direktør: Akira Shimada; heretter "NTT") og Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. (hovedkvarter: Chiyoda, Tokyo; president og administrerende direktør: Eisaku Ito; heretter "MHI") gjennomførte et eksperiment for optisk trådløs kraftoverføring ved bruk av laserenergistråle for å sende 1 kilometer trådløst unna. Ved å bestråle laserstråle med en optisk effekt på 1 kW, lyktes vi med å motta 152 W elektrisk kraft 1 kilometer unna. Dette markerer verdens høyeste effektivitet for en optisk trådløs kraftoverføring som bruker et fotoelektrisk silisiumkonverteringselement (Note2) i et miljø med sterk atmosfærisk turbulens.
Dette resultatet demonstrerer muligheten for å levere strøm til fjerne steder. I fremtiden forventes det å bli brukt på-kraftoverføring til avsidesliggende øyer og katastrofe-områder der strømkabler ikke kan installeres.
Denne prestasjonen ble publisert i det britiske magasinet Electronics Letters 5. august 2025.
Bakgrunn
De siste årene har trådløs kraftoverføringsteknologi for enheter som smarttelefoner, bærbare enheter, droner og elektriske kjøretøy, som kan levere strøm uten å bruke kabler, fått økende oppmerksomhet. Det finnes to typer trådløse kraftoverføringssystemer: en bruker mikrobølger og den andre bruker laserstråler. Trådløs kraftoverføring i mikrobølgeovn er allerede i praktisk bruk, og bruken av den utvides. På den annen side har ikke optisk trådløs kraftoverføring ved bruk av laserstråle blitt tatt i bruk i praksis, men det forventes å realisere kompakt langdistanse trådløs kraftoverføring i størrelsesorden kilometer ved å dra nytte av laserstrålens høye direktivitet (Figur 1).
Fremtidsutsikter ser for seg utviklingen av neste-generasjons infrastruktur som er i stand til å levere strøm og utvide kommunikasjonsdekningen i situasjoner og regioner der elektrisitet eller kommunikasjonsnettverk er utilgjengelige, for eksempel under katastrofer, på avsidesliggende øyer, fjellområder eller til sjøs. Dette inkluderer å levere kraft nøyaktig til spesifikke områder eller bevegelige plattformer som droner. For å oppnå en slik svært nøyaktig og langdistansestrømforsyning krever-laserbasert trådløs kraftoverføring som drar fordel av dens sterke retningsevne.
Utfordringer med eksisterende teknologier og prestasjoner av dette eksperimentet
Effektiviteten til optisk trådløs kraftoverføringsteknologi er generelt lav, og forbedring av effektiviteten er et problem for praktisk bruk. En av grunnene til dette er at når en lang-laserstråle forplanter seg, spesielt i atmosfæren, blir intensitetsfordelingen ujevn, og effektiviteten av å konvertere laserstrålen til elektrisk kraft i det fotoelektriske konverteringselementet blir lav.
I dette eksperimentet kombinerte vi NTTs stråleformingsteknologi med MHIs lysmottaksteknologi for å forbedre effektiviteten til trådløs laserkraftoverføring. Vi utførte et eksperiment for lang-optisk trådløs kraftoverføring i et utendørs miljø ved bruk av lang-flatstråleformingsteknologi som former strålen på overføringssiden for å oppnå ensartet stråleintensitet etter 1 kilometers forplantning, og utgangsstrømutjevningsteknologi som undertrykker påvirkningen av atmosfæriske fluktuasjoner med en homogenisator og utjevningskretser på mottakersiden.
Fra januar til februar 2025 gjennomførte vi et eksperiment med optisk trådløs kraftoverføring på rullebanen på Nanki-Shirahama-flyplassen i Shirahama Town, Nishimuro-distriktet, Wakayama Prefecture (Figur 2). En overføringsbås utstyrt med et optisk system for å sende ut laserstråle ble installert i den ene enden av rullebanen, og en mottaksbås som inneholdt et lys-mottakspanel ble plassert 1 kilometer unna.
Under overføring ble laserens optiske akse satt til en lav høyde på omtrent 1 meter over bakken og justert horisontalt. Som et resultat ble strålen sterkt påvirket av grunnvarme og vind, og forsøket ble utført under forhold med sterk atmosfærisk turbulens.
Inne i overføringsboksen ble det generert en laserstråle med en optisk effekt på 1035 W. Ved å bruke et diffraktivt optisk element (DOE) (merknad 3), ble strålen formet for å skape en jevn intensitetsfordeling i en avstand på 1 kilometer. I tillegg ble et strålestyrespeil brukt til å rette den formede strålen nøyaktig mot mottakspanelet. Strålen gikk ut gjennom åpningen til overføringsboksen og forplantet seg over 1 kilometer åpen plass, og nådde til slutt mottaksboksen.
Under forplantning forårsaket atmosfærisk turbulens svingninger i strålens intensitet, og skapte varme flekker. Disse ble spredt av en homogenisator i mottaksbåsen, noe som resulterte i at en jevn stråle ble bestrålt på mottakspanelet. Laserstrålen ble deretter effektivt omdannet til elektrisk kraft (Figur 3). Et silisium-basert fotoelektrisk konverteringselement ble tatt i bruk for mottakspanelet, tatt i betraktning både kostnader og tilgjengelighet.
I dette eksperimentet var den gjennomsnittlige elektriske effekten ekstrahert fra mottakspanelet 152 W (Figur 4), tilsvarende en trådløs kraftoverføringseffektivitet på 15 %, definert som forholdet mellom mottatt elektrisk kraft og overført optisk effekt. Dette resultatet markerer verdens høyeste optiske trådløse kraftoverføringseffektivitet som noen gang er demonstrert ved bruk av et silisium-basert fotoelektrisk konverteringselement under forhold med sterk atmosfærisk turbulens. Videre ble kontinuerlig strømforsyning opprettholdt i 30 minutter, noe som bekrefter muligheten for lang-kraftoverføring ved bruk av denne teknologien.
Merk: Fra et sikkerhetsperspektiv ble det optiske overføringssystemet og mottakspanelet installert inne i båser for å forhindre utilsiktet eksponering for høy-laserstråler og spredning av reflektert lys.
Tekniske høydepunkter
Lang-flatstråleformingsteknologi
For å forbedre den fotoelektriske konverteringseffektiviteten er det nødvendig å gjøre intensitetsfordelingen til strålen som faller inn på det fotoelektriske konverteringselementet jevn.
I denne studien foreslo vi en stråleformingsmetode som muliggjør enhetlig intensitet etter lang-forplantning. I denne tilnærmingen blir den ytre delen av strålen forvandlet til et ring-formet mønster ved å bruke effekten av en aksikonlinse (merknad 4). Den sentrale delen av strålen er fase-modulert for å utvide seg gjennom effekten av en konkav linse. Etter hvert som strålen forplanter seg, overlapper den ringformede-strålen og den utvidede sentrale strålen gradvis, noe som resulterer i en jevn intensitetsfordeling på målstedet, som vist i figur 5.
For eksperimentet optimaliserte vi stråledesignet for å oppnå ønsket intensitetsprofil i en avstand på 1 kilometer. Stråleformingen ble implementert ved hjelp av et diffraktivt optisk element, som forbedret jevnheten til stråleintensiteten ved målposisjonen som ligger 1 kilometer unna.
Utgangsstrøm utjevningsteknologi
Når laserstrålen forplanter seg gjennom atmosfæren, påvirkes den av atmosfærisk turbulens, som forstyrrer intensitetsfordelingen. Selv om den flate-stråleformingsteknikken beskrevet ovenfor kan jevne intensitetsfordelingen, kan sterk turbulens fortsatt forårsake dannelse av høy-intensitetsflekker, som vist i figur 6.
For å løse dette problemet plasserte vi en strålehomogenisator foran-lysmottakspanelet. Homogenisatoren sprer flekker med høy-intensitet slik at strålen blir jevnt bestrålt på panelet. I tillegg ble nivelleringskretser koblet til hvert fotoelektriske konverteringselement på mottakspanelet. Disse kretsene hjelper til med å undertrykke svingninger i utgangsstrømmen forårsaket av atmosfærisk turbulens og bidrar til å stabilisere den totale effektutgangen.
Disse to teknologiene gjør det mulig å oppnå stråleuniformitet i kilometer-ordreoverføring, noe som var vanskelig med konvensjonelle stråleformingsmetoder, og å stabilisere ytelsen i utendørsmiljøer. Som et resultat forventes stabil strømforsyning til avsidesliggende steder som isolerte øyer og katastrofe-berørte områder å bli mulig.
Hvert selskaps rolle
NTT: Design og implementering av transmisjonsoptikk som stråleformingsteknikker
MHI: Design og implementering av fotodetektoroptikk som fotodetektorpaneler, homogenisatorer og utjevningskretser
Fremtidig utvikling
Denne teknologien muliggjør effektiv og stabil overføring av energi over lange avstander selv under atmosfærisk turbulens. I dette eksperimentet ble silisium brukt som fotovoltaisk konverteringselement. Ved å bruke solcelleenheter som er spesielt designet for å matche bølgelengden til laserlyset, kan man imidlertid forvente enda høyere effektoverføringseffektivitet. I tillegg vil bruk av laserlyskilder med høyere utgangseffekt gjøre det mulig å levere større mengder elektrisitet.
Som et resultat kan fleksibel og rask strømforsyning oppnås i avsidesliggende områder som-katastroferammede områder og avsidesliggende øyer, der installasjonen av strømkabler tradisjonelt har vært vanskelig. Utover terrestriske applikasjoner kan det også tenkes et bredt spekter av nye brukstilfeller basert på denne teknologien (figur 7). Spesielt muliggjør den høye retningsevnen og lave divergensen til laserstråler utforming av kompakte og lette mottaksenheter. Dette er en stor fordel for mobile plattformer som har strenge begrensninger i vekt og nyttelastkapasitet.
For eksempel, ved å kombinere denne teknologien med strålestyringsteknikker, blir det mulig å levere strøm trådløst til droner under flyging. Dette unngår driftsbegrensninger som landing for batteribytte eller bruk av sammenkoblede strømforsyningskabler, noe som muliggjør lang-varighet og lang-kontinuerlig drift. Slike evner kan forbedre katastrofe-områdeovervåking samt bred-kommunikasjonsrelé i fjell- eller maritime regioner, applikasjoner som tidligere var vanskelige å realisere.
I tillegg forventes potensielle bruksområder i verdensrommet, inkludert strømforsyning til mobile plattformer som HAPS (High Altitude Platform Station)(Note5), som faller innenfor rammen av NTTs rommerke, NTT C89(Note6). Når vi ser lenger framover, kan teknologien brukes til å drive romdatasentre og måne-rovere, samt til romsolenergisystemer der elektrisitet overføres fra geostasjonære satellitter til bakken via laser. Disse applikasjonene representerer områder med sterkt potensial for markedsekspansjon.
Gjennom samarbeidet mellom NTT og MHI har vi realisert verdens mest effektive laser trådløs kraftoverføringsteknologi under forhold sterkt påvirket av atmosfæriske svingninger. Denne prestasjonen representerer et betydelig skritt mot å bygge et innovativt teknologisk grunnlag som kan møte et bredt spekter av samfunnsbehov, fra katastroferespons til romutvikling.
