TOKYO - 17. september 2025 -NTT, Inc. (hovedkvarter: Chiyoda, Tokyo; præsident og administrerende direktør: Akira Shimada; herefter "NTT") og Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. (hovedkvarter: Chiyoda, Tokyo; præsident og administrerende direktør: Eisaku Ito; herefter "MHI") udførte et eksperiment med optisk trådløs krafttransmission ved hjælp af laserenergistråle til trådløst at transmittere 1 kilometer væk. Ved at bestråle laserstråle med en optisk effekt på 1 kW, lykkedes det os at modtage 152 W elektrisk effekt 1 kilometer væk. Dette markerer verdens højeste effektivitet af en optisk trådløs strømtransmission ved hjælp af et fotoelektrisk siliciumkonverteringselement (Note2) i et miljø med stærk atmosfærisk turbulens.
Dette resultat demonstrerer muligheden for at levere strøm til fjerne steder. I fremtiden forventes det at blive anvendt til-on-demand strømtransmission til fjerntliggende øer og katastrofe-ramte områder, hvor strømkabler ikke kan installeres.
Denne præstation blev offentliggjort i det britiske magasin Electronics Letters den 5. august 2025.
Baggrund
I de senere år har trådløse strømtransmissionsteknologier til enheder som smartphones, bærbare enheder, droner og elektriske køretøjer, som kan levere elektricitet uden brug af kabler, fået stigende opmærksomhed. Der er to typer trådløse strømtransmissionssystemer: det ene bruger mikrobølger og det andet bruger laserstråler. Trådløs strømtransmission i mikrobølger er allerede i praktisk brug, og brugen af den udvides. På den anden side er optisk trådløs krafttransmission ved hjælp af laserstråle ikke blevet taget i brug i praksis, men det forventes at realisere kompakt langdistance trådløs krafttransmission i størrelsesordenen kilometer ved at drage fordel af laserstrålens høje retningsbestemmelse (figur 1).
Fremtidsudsigterne forestiller sig udviklingen af næste-generationsinfrastruktur, der er i stand til at levere strøm og udvide kommunikationsdækningen i situationer og regioner, hvor elektricitet eller kommunikationsnetværk er utilgængelige, f.eks. under katastrofer, på fjerntliggende øer, bjergrige områder eller på havet. Dette inkluderer levering af strøm præcist til specifikke områder eller bevægelige platforme såsom droner. Opnåelse af en så meget præcis og lang{3}}strømforsyning kræver laser-baseret trådløs kraftoverførsel, der udnytter dens stærke retningsbestemmelse.
Udfordringer ved eksisterende teknologier og resultater af dette eksperiment
Effektiviteten af optisk trådløs krafttransmissionsteknologi er generelt lav, og forbedring af effektiviteten er et problem for praktisk brug. En af grundene til dette er, at når laserstrålen på lang afstand- breder sig, især i atmosfæren, bliver intensitetsfordelingen ujævn, og effektiviteten af at konvertere laserstrålen til elektrisk kraft i det fotoelektriske konverteringselement bliver lav.
I dette eksperiment kombinerede vi NTT's stråleformningsteknologi med MHI's lysmodtageteknologi for at forbedre effektiviteten af trådløs laserstrømtransmission. Vi udførte et lang-optisk trådløs krafttransmissionseksperiment i et udendørs miljø ved hjælp af lang-fladstråleformningsteknologi, der former strålen på transmissionssiden for at opnå ensartet stråleintensitet efter 1 kilometers udbredelse, og udgangsstrømnivelleringsteknologi, der undertrykker påvirkningen af atmosfæriske fluktuationer med en homogenisator og nivelleringskredsløb på modtageren.
Fra januar til februar 2025 gennemførte vi et eksperiment med optisk trådløs kraftoverførsel på landingsbanen i Nanki-Shirahama-lufthavnen i Shirahama Town, Nishimuro-distriktet, Wakayama-præfekturet (figur 2). En transmissionskabine udstyret med et optisk system til at udsende laserstråle blev installeret i den ene ende af landingsbanen, og en modtagekabine indeholdende et lys-modtagepanel blev placeret 1 kilometer væk.
Under transmissionen blev laserens optiske akse sat i en lav højde på ca. 1 meter over jorden og justeret vandret. Som følge heraf blev strålen stærkt påvirket af jordvarme og vind, og forsøget blev udført under forhold med stærk atmosfærisk turbulens.
Inde i transmissionskabinen blev der genereret en laserstråle med en optisk effekt på 1035 W. Ved hjælp af et diffraktivt optisk element (DOE) (Note3) blev strålen formet til at skabe en ensartet intensitetsfordeling i en afstand på 1 kilometer. Derudover blev et strålestyrende spejl brugt til præcist at rette den formede stråle mod modtagepanelet. Strålen gik ud gennem åbningen i transmissionskabinen og forplantede sig hen over 1 kilometer åbent område, og nåede til sidst modtagekabinen.
Under udbredelsen forårsagede atmosfærisk turbulens fluktuationer i strålens intensitet, hvilket skabte hot spots. Disse blev spredt af en homogenisator i modtagekabinen, hvilket resulterede i, at en ensartet stråle blev bestrålet på modtagepanelet. Laserstrålen blev derefter effektivt omdannet til elektrisk energi (figur 3). Et silicium-baseret fotoelektrisk konverteringselement blev vedtaget til det modtagende panel, idet der blev taget hensyn til både omkostninger og tilgængelighed.
I dette eksperiment var den gennemsnitlige elektriske effekt ekstraheret fra modtagepanelet 152 W (figur 4), svarende til en trådløs kraftoverførselseffektivitet på 15%, defineret som forholdet mellem modtaget elektrisk effekt og transmitteret optisk effekt. Dette resultat markerer verdens højeste optiske trådløse kraftoverførselseffektivitet, der nogensinde er demonstreret ved hjælp af et silicium-baseret fotoelektrisk konverteringselement under forhold med stærk atmosfærisk turbulens. Ydermere blev kontinuerlig strømforsyning opretholdt i 30 minutter, hvilket bekræfter gennemførligheden af-langvarig kraftoverførsel ved hjælp af denne teknologi.
Bemærk: Fra et sikkerhedsmæssigt perspektiv blev det optiske transmissionssystem og det modtagende panel hver installeret inde i kabiner for at forhindre utilsigtet eksponering for høj-laserstråler og spredning af reflekteret lys.
Tekniske højdepunkter
Langdistance-fladstråleformningsteknologi
For at forbedre den fotoelektriske konverteringseffektivitet er det nødvendigt at gøre intensitetsfordelingen af strålen, der falder ind på det fotoelektriske konverteringselement, ensartet.
I denne undersøgelse foreslog vi en stråleformningsmetode, der muliggør ensartet intensitet efter lang-udbredelse. I denne tilgang transformeres den ydre del af strålen til et ringformet -mønster ved hjælp af effekten af en aksikonlinse (Note4). Den centrale del af strålen er fase-moduleret for at udvide gennem effekten af en konkav linse. Efterhånden som strålen forplanter sig, overlapper den ringformede-stråle og den udvidede centrale stråle gradvist, hvilket resulterer i en ensartet intensitetsfordeling på målstedet, som vist i figur 5.
Til eksperimentet optimerede vi stråledesignet for at opnå den ønskede intensitetsprofil i en afstand af 1 kilometer. Stråleformningen blev implementeret ved hjælp af et diffraktivt optisk element, som forbedrede ensartetheden af stråleintensiteten ved målpositionen placeret 1 kilometer væk.
Udgangsstrøm nivelleringsteknologi
Når laserstrålen forplanter sig gennem atmosfæren, påvirkes den af atmosfærisk turbulens, som forstyrrer intensitetsfordelingen. Selvom den flade-stråleformningsteknik beskrevet ovenfor kan ensarte intensitetsfordelingen, kan stærk turbulens stadig forårsage dannelsen af pletter med høj-intensitet, som vist i figur 6.
For at løse dette problem placerede vi en strålehomogenisator foran det lysmodtagende-panel. Homogenisatoren spreder pletter med høj-intensitet, så strålen ensartet bestråles på panelet. Derudover blev nivelleringskredsløb forbundet til hvert fotoelektrisk konverteringselement på modtagerpanelet. Disse kredsløb hjælper med at undertrykke fluktuationer i udgangsstrømmen forårsaget af atmosfærisk turbulens og bidrager til at stabilisere den samlede effekt.
Disse to teknologier gør det muligt at opnå stråleensartethed i kilometer-ordenstransmission, hvilket var vanskeligt med konventionelle stråleformningsmetoder, og at stabilisere output i udendørs miljøer. Som følge heraf forventes stabil strømforsyning til fjerntliggende steder såsom isolerede øer og katastrofe-ramte områder at blive mulig.
Hver virksomheds rolle
NTT: Design og implementering af transmissionsoptik såsom stråleformningsteknikker
MHI: Design og implementering af fotodetektoroptik såsom fotodetektorpaneler, homogenisatorer og nivelleringskredsløb
Fremtidige udviklinger
Denne teknologi muliggør effektiv og stabil transmission af energi over lange afstande selv under atmosfærisk turbulens. I dette eksperiment blev silicium brugt som fotovoltaisk konverteringselement. Men ved at anvende fotovoltaiske enheder, der er specielt designet til at matche bølgelængden af laserlyset, kan der forventes endnu højere effektoverførselseffektivitet. Derudover ville brugen af laserlyskilder med højere udgangseffekt gøre det muligt at levere større mængder elektricitet.
Som et resultat heraf kan der opnås fleksibel og hurtig strømforsyning i fjerntliggende områder, såsom-katastroferamte områder og fjerntliggende øer, hvor installationen af strømkabler traditionelt har været vanskelig. Ud over jordbaserede applikationer kan en bred vifte af nye use cases også forestilles baseret på denne teknologi (figur 7). Især giver laserstrålernes høje direktivitet og lave divergens mulighed for design af kompakte og lette modtageenheder. Dette er en stor fordel for mobile platforme, der står over for strenge begrænsninger i vægt og nyttelastkapacitet.
For eksempel, ved at kombinere denne teknologi med strålestyringsteknikker, bliver det muligt at levere strøm trådløst til droner under flyvning. Dette undgår driftsbegrænsninger såsom landing for batteriudskiftning eller brug af forbundne strømforsyningskabler, hvilket muliggør lang-varighed og lang-kontinuerlig drift. Sådanne muligheder kan forbedre katastrofe-områdeovervågning samt bred-kommunikationsrelæ i bjergrige eller maritime regioner, applikationer, der tidligere var svære at realisere.
Derudover forventes potentielle anvendelser i rummet, herunder strømforsyning til mobile platforme såsom HAPS (High Altitude Platform Station)(Note5), som falder inden for rammerne af NTTs rummærke, NTT C89(Note6). Ser man længere frem, kan teknologien anvendes til at drive rumdatacentre og måne-rovere samt til rumsolenergisystemer, hvor elektricitet transmitteres fra geostationære satellitter til jorden via laser. Disse applikationer repræsenterer områder med stort potentiale for markedsudvidelse.
Gennem samarbejdet mellem NTT og MHI har vi realiseret verdens mest effektive laser trådløs strømoverførselsteknologi under forhold, der er stærkt påvirket af atmosfæriske udsving. Denne præstation repræsenterer et væsentligt skridt i retning af at opbygge et innovativt teknologisk grundlag, der kan opfylde en bred vifte af samfundsmæssige behov, fra katastrofeberedskab til rumudvikling.
