Przenoszenie mocy lasera — technologia dostarczania energii w przyszłość

Od czasu wynalezienia elektryczności i szeroko zaczęto ją wykorzystywać w zastosowaniach związanych z życiem, znalezienie wysoce wydajnej metody przesyłu, w miarę możliwości ograniczającej straty w transmisji na duże odległości, jest jednym z głównych zainteresowań sektora elektroenergetycznego i badacze. Chińska technologia przesyłu ultrawysokiego napięcia jest stosunkowo wiodąca na świecie, jednak w procesie przesyłu nadal występuje współczynnik strat wynoszący 2%-7% (w zależności od odległości), a jest to strata, której nie należy ignorowane.
Pomysł bezprzewodowego przesyłania energii został po raz pierwszy zaproponowany przez serbskiego naukowca Nikolę Teslę 100 lat temu, a lasery mają zdolność przenoszenia bardzo dużej energii w jednym kierunku, co teoretycznie spełnia potrzeby transmisji na duże odległości. Tak jak światło słoneczne może naładować płytkę drukowaną, tak laser jako środek transmisji na duże odległości ma nie tylko dużą moc wyjściową, ale także może być stosowany w dowolnym czasie i miejscu bez ograniczeń związanych z kablami ładującymi, co ma niezrównane zalety.
W 1992 roku amerykańska firma ABB objęła wiodącą rolę w badaniach związanych z technologią zasilania laserowego, realizacją monitorowania obwodów linii wysokiego napięcia i stopniowo zastępowała tradycyjny przekładnik prądowy punktu poboru prądu CT. Departament Obrony USA oraz Narodowa Administracja Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej zdały sobie również sprawę, że jeśli satelita i bezzałogowy statek powietrzny będą zasilane energią lasera, można uzyskać dłuższy okres czasu na wykonanie większej liczby zadań, innymi słowy, laser w wojsku i lotnictwa ma niespotykane dotąd możliwości, dlatego szereg laserowych satelitów pełni funkcję odpowiednich badań technicznych prowadzonych w ten sposób.
W 1997 roku Japan N. Kawashima i inni przeprowadzili eksperyment polegający na wykorzystaniu transmisji energii lasera do eksperymentu dostarczania energii robotowi z dolną sondą wulkanu księżycowego (ROVER). Ponieważ we wnętrzu wulkanu nie ma światła słonecznego, jedynie w kraterze odbierane jest ono w postaci lasera, przesyłanego na dno wulkanu do źródła energii Rovera. Moc wyjściowa lasera systemu transmisji wynosząca 60 W, odległość transmisji 1000 m, z powodzeniem napędza działanie robota o mocy 10 W, wydajność konwersji fotoelektrycznej około 20%.
W 2005 roku w NASA Marshall Space Flight Center dokonano przełomu, po raz pierwszy w historii, laserem o mocy 500 W i długości fali 940 nm, umieszczonym 15 m od mikropojazdu, zapewniającym moc 6 W energii elektrycznej, dzięki której pojazd działał przez 15 min. W 2013 roku Laboratorium Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych z powodzeniem zastosowało laser o mocy 2 kW w odległości 40 m od zdalnego źródła zasilania UAV.
Kompletny system dostarczania energii lasera składa się z trzech modułów, a mianowicie modułu nadajnika lasera, modułu transmisji lasera i modułu konwersji lasera na energię elektryczną. Wśród nich wydajność lasera i ogniwa fotowoltaicznego jest rdzeniem całego systemu energii lasera, jak wytworzyć energię lasera poprzez konwersję energii elektrycznej - światła - energii elektrycznej, w miarę możliwości, aby zminimalizować tłumienie atmosferyczne, tłumienie konwersji fotowoltaicznej, jest kluczowym indeksem tego systemu. Chiński Narodowy Uniwersytet Technologii Obronnych, Uniwersytet Aeronautyki i Astronautyki w Nanjing, Uniwersytet Wuhan, Instytut Technologii Elektroniki Kosmicznej w Shandong i inne instytuty badawcze również przeprowadziły odpowiednie badania nad arsenkiem galu, krzemem monokrystalicznym i innymi ogniwami fotowoltaicznymi w celu uzyskania różnych długości fal i odległości zasilacz lasera.
W ostatnich latach Japonia, Rosja i inne kraje również skupiły się na zastosowaniach technologii związanych z przenoszeniem mocy lasera.
Rosja koncentruje się na zastosowaniu transmisji mocy lasera w kosmosie. W 2021 r. rosyjska firma zajmująca się rakietami kosmicznymi „energetycznymi” planuje wykorzystać laser do eksperymentów z bezprzewodowym przesyłaniem mocy, aby zapewnić przyszłość przesyłu energii w przestrzeni kosmicznej w celu przeprowadzenia testów wykonalności. Eksperyment kosmiczny o kryptonimie „Pelikan” dotyczy wykorzystania laserów do przenoszenia mocy pomiędzy statkami kosmicznymi i został włączony do długoterminowego programu eksperymentów naukowych rosyjskiej części Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Obecnie sprawność przetworników fotoelektrycznych sięga 60%, zatem wykorzystanie laserów do przesyłania energii elektrycznej z jednego statku kosmicznego na drugi będzie bardzo efektywne. Rosyjscy naukowcy z optymizmem patrzą na wykorzystanie technologii laserowej bezprzewodowej transmisji mocy do ładowania satelitów na orbicie kosmicznej.
Z drugiej strony Japonia opiera swoją wizję głównie na zastosowaniach życiowych. Tokijski Instytut Technologiczny i inne instytucje zaangażowane są w rozwój cywilizacji technologii „lekkiego ładowania bezprzewodowego”. Wykorzystanie energii elektrycznej do emitowania lasera, obiektów napromieniowanych laserem, a następnie poprzez płytkę wytwarzającą energię, zostanie przekształcone w energię elektryczną, co nie tylko pozwoli zaoszczędzić telefony komórkowe, problemy z konfiguracją linii ładowania urządzeń gospodarstwa domowego, ale także rozwiąże nowe pojazdy energetyczne trzeba regularnie zatrzymywać się po drodze, aby znaleźć problemy z ładowaniem stosu ładowania.
Technologia laserowego przenoszenia mocy ma wiele zalet, ale wiąże się również z pewnymi problemami do rozwiązania. Na przykład używane obecnie do przesyłu energii linie ultrawysokiego napięcia nie są łatwe w kontakcie z ciałem ludzkim, a lasery o ultrawysokiej mocy wykorzystujące propagację powietrza, na które po napromieniowaniu łatwo wpływają różne odbicia organizm ludzki może spowodować poważne zagrożenie. Inny przykład, jak zapewnić, że laser w różnych warunkach klimatycznych zapewni stabilną i niezawodną wydajność transmisji, zmniejszy tłumienie, a jednocześnie będzie dokładnie transmitowany na potrzeby odbiorników sprzętowych, ale także w oczekiwaniu na przełomy w technologii śledzenia i ogniskowania. Podsumowując, technologia laserowego przesyłu energii stanowi przyszły kierunek rozwoju energetyki i ma szeroką przestrzeń zastosowań.