TÒKIO - 17 de setembre, 2025 -NTT, Inc. (Seu: Chiyoda, Tòquio; President i CEO: Akira Shimada; d'ara endavant "NTT") i Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. (Seu: Chiyoda, Tòquio; President i CEO: Eisaku Ito; d'ara endavant "MHI") van dur a terme un experiment de transmissió d'energia sense fil òptica utilitzant un raig làser per transmetre energia sense fil a 1 quilòmetre. Mitjançant la irradiació del raig làser amb una potència òptica d'1 kW, vam aconseguir rebre 152 W d'energia elèctrica a 1 quilòmetre de distància. Això marca l'eficiència més alta del món d'una transmissió d'energia sense fil òptica mitjançant un element de conversió fotoelèctrica de silici (Nota 2) en un entorn amb una forta turbulència atmosfèrica.
Aquest resultat demostra la viabilitat de subministrar energia a llocs distants. En el futur, s'espera que s'apliqui a-transmissió d'energia sota demanda a illes remotes i zones afectades-de desastres on no es puguin instal·lar cables d'alimentació.
Aquest assoliment es va publicar a la revista britànica Electronics Letters el 5 d'agost de 2025.
Fons
En els darrers anys, les tecnologies de transmissió d'energia sense fil per a dispositius com ara telèfons intel·ligents, dispositius portàtils, drons i vehicles elèctrics, que poden subministrar electricitat sense utilitzar cables, han cridat una atenció creixent. Hi ha dos tipus de sistemes de transmissió d'energia sense fil: un utilitza microones i l'altre utilitza raigs làser. La transmissió d'energia sense fil per microones ja està en ús pràctic i el seu ús s'està expandint. D'altra banda, la transmissió d'energia sense fil òptica mitjançant raig làser no s'ha fet servir a la pràctica, però s'espera que realitzi una transmissió d'energia sense fils de llarga distància compacta de l'ordre de quilòmetres aprofitant l'alta directivitat del raig làser (figura 1).
Les perspectives futures preveuen el desenvolupament d'una -infraestructura de pròxima generació capaç de subministrar energia i ampliar la cobertura de comunicacions en situacions i regions on no hi hagi electricitat o xarxes de comunicació disponibles, com ara durant desastres, a illes remotes, zones muntanyoses o al mar. Això inclou el subministrament d'energia precisament a zones específiques o plataformes mòbils com ara drons. Aconseguir un subministrament d'energia tan precís i de llarga-distància requereix una transmissió d'energia sense fils basada en làser-que aprofiti la seva forta direccionalitat.
Reptes de les tecnologies existents i assoliments d'aquest experiment
L'eficiència de la tecnologia de transmissió d'energia sense fil òptica és generalment baixa i la millora de l'eficiència és un problema d'ús pràctic. Una de les raons d'això és que quan el raig làser de llarga-distància es propaga, especialment a l'atmosfera, la distribució d'intensitat es torna desigual i l'eficiència de convertir el raig làser en energia elèctrica a l'element de conversió fotoelèctrica es fa baixa.
En aquest experiment, vam combinar la tecnologia de conformació del feix de NTT amb la tecnologia de recepció de llum de MHI per millorar l'eficiència de la transmissió d'energia sense fil làser. Hem realitzat un experiment de transmissió d'energia sense fil òptica de llarga distància-en un entorn exterior utilitzant tecnologia de conformació de feix pla de llarga distància-que modela el feix al costat de la transmissió per aconseguir una intensitat uniforme del feix després de la propagació d'1 quilòmetre, i una tecnologia d'anivellament de corrent de sortida que suprimeix la influència de les fluctuacions atmosfèriques amb un homogeneïtzador i circuits d'anivellament al costat receptor.
De gener a febrer de 2025, vam realitzar un experiment de transmissió d'energia sense fil òptica a la pista de l'aeroport de Nanki-Shirahama a la ciutat de Shirahama, districte de Nishimuro, prefectura de Wakayama (figura 2). Es va instal·lar una cabina de transmissió equipada amb un sistema òptic per emetre un raig làser a un extrem de la pista i una cabina de recepció que contenia un panell receptor de llum-a 1 quilòmetre de distància.
Durant la transmissió, l'eix òptic del làser es va establir a una alçada baixa d'aproximadament 1 metre sobre el terra i es va alinear horitzontalment. Com a resultat, el feix es va veure fortament afectat per l'escalfament del sòl i el vent, i l'experiment es va dur a terme en condicions amb una forta turbulència atmosfèrica.
Dins de la cabina de transmissió es va generar un raig làser amb una potència òptica de 1035 W. Utilitzant un element òptic difractiu (DOE) (Nota 3), el feix es va formar per crear una distribució uniforme d'intensitat a una distància d'1 quilòmetre. A més, es va utilitzar un mirall de direcció del feix per dirigir amb precisió el feix amb forma cap al panell receptor. El feix va sortir per l'obertura de la cabina de transmissió i es va propagar per 1 quilòmetre d'espai obert, arribant finalment a la cabina de recepció.
Durant la propagació, la turbulència atmosfèrica va provocar fluctuacions en la intensitat del feix, creant punts calents. Aquests es van difondre mitjançant un homogeneïtzador a la cabina de recepció, donant com a resultat un feix uniforme que s'irradiava al panell receptor. Aleshores, el feix làser es va convertir de manera eficient en energia elèctrica (figura 3). Es va adoptar un element de conversió fotoelèctric basat en silici-per al panell receptor, tenint en compte tant el cost com la disponibilitat.
En aquest experiment, la potència elèctrica mitjana extreta del panell receptor va ser de 152 W (figura 4), que correspon a una eficiència de transmissió d'energia sense fil del 15%, definida com la relació entre la potència elèctrica rebuda i la potència òptica transmesa. Aquest resultat marca l'eficiència de transmissió d'energia sense fil òptica més alta del món mai demostrada utilitzant un element de conversió fotoelèctrica basat en silici-en condicions de fortes turbulències atmosfèriques. A més, el subministrament continu d'energia es va mantenir amb èxit durant 30 minuts, confirmant la viabilitat de la transmissió d'energia de llarga-durada amb aquesta tecnologia.
Nota: des del punt de vista de la seguretat, el sistema de transmissió òptica i el panell receptor es van instal·lar a l'interior de les cabines per evitar l'exposició accidental a raigs làser de gran-potència i la dispersió de la llum reflectida.
Aspectes tècnics destacats
Tecnologia de conformació de feix pla de llarga distància-
Per millorar l'eficiència de conversió fotoelèctrica, és necessari que la distribució d'intensitat del feix incident a l'element de conversió fotoelèctrica sigui uniforme.
En aquest estudi, vam proposar un mètode de conformació del feix que permeti la uniformitat de la intensitat després de la propagació a llarga-distància. En aquest enfocament, la part exterior del feix es transforma en un patró en forma d'anell- mitjançant l'efecte d'una lent axicon (Nota 4). La part central del feix està modulada en fase-per expandir-se mitjançant l'efecte d'una lent còncava. A mesura que el feix es propaga, el feix en forma d'anell-i el feix central expandit se superposen gradualment, donant lloc a una distribució d'intensitat uniforme a la ubicació objectiu, tal com es mostra a la figura 5.
Per a l'experiment, vam optimitzar el disseny del feix per aconseguir el perfil d'intensitat desitjat a una distància d'1 quilòmetre. La conformació del feix es va implementar mitjançant un element òptic difractiu, que va millorar la uniformitat de la intensitat del feix a la posició objectiu situada a 1 quilòmetre de distància.
Tecnologia d'anivellament de corrent de sortida
A mesura que el raig làser es propaga per l'atmosfera, es veu afectat per la turbulència atmosfèrica, que pertorba la distribució de la intensitat. Tot i que la tècnica de conformació del feix pla-descrita anteriorment pot uniformar la distribució d'intensitat, una forta turbulència encara pot provocar la formació de punts d'-alta intensitat, tal com es mostra a la figura 6.
Per solucionar aquest problema, vam col·locar un homogeneïtzador de feix davant del-tauler receptor de llum. L'homogeneïtzador difon punts d'-alta intensitat de manera que el feix s'irradia uniformement al panell. A més, es van connectar circuits d'anivellament a cada element de conversió fotoelèctrica del panell receptor. Aquests circuits ajuden a suprimir les fluctuacions del corrent de sortida causades per la turbulència atmosfèrica i contribueixen a estabilitzar la potència total de sortida.
Aquestes dues tecnologies permeten aconseguir la uniformitat del feix en la transmissió d'ordres-quilòmetres, que era difícil amb els mètodes convencionals de conformació del feix, i estabilitzar la sortida en entorns exteriors. Com a resultat, s'espera que el subministrament d'energia estable a ubicacions remotes, com ara illes aïllades i zones afectades-de desastres, sigui factible.
El paper de cada empresa
NTT: Disseny i implementació d'òptiques de transmissió com tècniques de conformació de feixos
MHI: Disseny i implementació d'òptiques fotodetectores com ara panells fotodetectors, homogeneïtzadors i circuits d'anivellament
Evolucions futures
Aquesta tecnologia permet la transmissió eficient i estable d'energia a llargues distàncies fins i tot sota turbulències atmosfèriques. En aquest experiment, es va utilitzar silici com a element de conversió fotovoltaica. Tanmateix, mitjançant l'ús de dispositius fotovoltaics dissenyats específicament per adaptar-se a la longitud d'ona de la llum làser, es pot esperar una eficiència de transferència d'energia encara més alta. A més, l'ús de fonts de llum làser amb una potència de sortida més alta permetria subministrar majors quantitats d'electricitat.
Com a resultat, es pot aconseguir un subministrament d'energia flexible i ràpid a zones remotes, com ara regions afectades per desastres-i illes remotes, on la instal·lació de cables d'alimentació ha estat tradicionalment difícil. Més enllà de les aplicacions terrestres, també es poden preveure una àmplia gamma de nous casos d'ús basats en aquesta tecnologia (Figura 7). En particular, l'alta directivitat i la baixa divergència dels raigs làser permeten el disseny de dispositius receptors compactes i lleugers. Aquest és un avantatge important per a les plataformes mòbils que s'enfronten a limitacions estrictes de pes i capacitat de càrrega útil.
Per exemple, combinant aquesta tecnologia amb tècniques de direcció del feix, és possible subministrar energia sense fil als drons en vol. Això evita limitacions operatives com ara l'aterratge per substituir la bateria o l'ús de cables d'alimentació lligats, permetent un funcionament continu de llarga-durada i-distància. Aquestes capacitats poden millorar la supervisió d'-zones de desastres, així com el retransmissió de comunicacions d'-àrea àmplia a les regions muntanyoses o marítimes, aplicacions que abans eren difícils de realitzar.
A més, es preveuen aplicacions potencials a l'espai, inclosa el lliurament d'energia a plataformes mòbils com HAPS (High Altitude Platform Station) (Nota 5), que es troba dins de l'àmbit de la marca espacial de NTT, NTT C89 (Nota 6). Mirant més endavant, la tecnologia es podria aplicar a centres de dades espacials i rovers lunars, així com a sistemes d'energia solar espacial en què l'electricitat es transmet des de satèl·lits geoestacionaris a terra mitjançant làser. Aquestes aplicacions representen àrees amb un fort potencial d'expansió del mercat.
Mitjançant la col·laboració entre NTT i MHI, hem aconseguit la tecnologia de transferència d'energia sense fil làser més eficient del món en condicions fortament afectades per les fluctuacions atmosfèriques. Aquest assoliment representa un pas important cap a la construcció d'una base tecnològica innovadora que pugui satisfer una àmplia gamma de necessitats socials, des de la resposta a desastres fins al desenvolupament espacial.
