Китайские учёные разработали лазерную систему для зарядки дронов прямо в полёте

Исследователи из Университета гражданской авиации Китая разработали систему, которая в перспективе позволит заряжать беспилотные летательные аппараты прямо во время полёта с помощью лазерного луча. Технология предполагает передачу энергии от наземного лазера на компактный приёмник, установленный под крылом беспилотника.

Разработка направлена на решение одной из главных проблем современных дронов — ограниченной ёмкости аккумуляторов. По замыслу исследователей, технология позволит беспилотникам дольше оставаться в воздухе без необходимости регулярно приземляться для замены или подзарядки батарей.

Лёгкий приёмник способен захватывать энергию лазерного луча, направленного с поверхности Земли, и непосредственно преобразовывать её в электричество. Основой системы стало тандемное устройство из лазерного элемента на основе перовскита и термоэлектрического генератора, получившее название PLC-TE.

По сути, разработчики адаптировали принцип солнечного элемента для работы не с обычным солнечным светом, а с высокомощным лазерным излучением. Верхний слой устройства поглощает лазерный свет и преобразует его в электрическую энергию, тогда как нижний термоэлектрический слой использует возникающее при этом избыточное тепло.

«Можно представить будущее, в котором дронам, инспектирующим леса, контролирующим последствия стихийных бедствий или доставляющим посылки, больше не придётся часто приземляться для замены аккумуляторов», — заявил старший автор исследования Цзяньхуа Хань из Университета гражданской авиации Китая.

По его словам, работа демонстрирует возможность «заправлять летательные аппараты светом». При этом исследователь отметил, что переход от лабораторного прототипа к полноценной работающей системе потребует решения большого количества инженерных задач.

Одной из главных проблем при передаче энергии лазером оказалось тепло. Для получения мощности, достаточной для поддержания работы летательного аппарата, требуется интенсивное лазерное излучение, однако компактный приёмник при этом быстро нагревается.

Сильный нагрев снижает эффективность преобразования энергии и способен повредить или даже расплавить отдельные компоненты устройства ещё до того, как энергия будет эффективно передана беспилотнику. Поэтому исследователям пришлось одновременно решать задачу преобразования лазерного излучения и отвода тепла.

Сначала учёные создали двухслойный приёмник, состоящий из перовскитового лазерного элемента и расположенного под ним термоэлектрического генератора. Верхний слой преобразует лазерное излучение в электричество, а нижний использует часть выделяющегося тепла для дополнительной выработки энергии.

Во время испытаний с высокомощным лазером тепловизионные камеры зафиксировали неожиданно высокую температуру устройства — от 80 до 90 °C. Чтобы ограничить распространение тепла внутри конструкции, исследователи встроили в устройство нанокристаллы, выполняющие роль теплоизолирующего барьера.

Следующим этапом стала интеграция системы непосредственно в конструкцию летательного аппарата. Вместо установки массивного внешнего приёмника разработчики разместили ультратонкое устройство под крылом беспилотника.

В конструкции крыла были предусмотрены специальные воздушные каналы. Во время полёта набегающий поток воздуха проходит через эти каналы и естественным образом охлаждает заднюю часть приёмника.

Разница температур между нагретой лазером передней частью устройства и охлаждаемой воздушным потоком задней частью создаёт условия для работы термоэлектрического элемента. Чем больше температурный перепад, тем больше дополнительной электрической мощности способен вырабатывать термоэлектрический слой.

«Предыдущие исследования в основном были сосредоточены на материалах или самом устройстве», — объяснил Хань. По его словам, команда хотела выйти за пределы лабораторных экспериментов и изучить, как такую систему можно реально интегрировать в летательный аппарат, обеспечить её охлаждение во время работы и сделать совместимой с условиями полёта.

Таким образом, разработчики рассматривают систему не только как задачу материаловедения, но и как комплексную инженерную проблему, связанную с аэродинамикой, охлаждением, передачей энергии и управлением лазерным лучом.

В лабораторных испытаниях с использованием зелёного лазера устройство преобразовало 38,49% поступавшей лазерной энергии в полезную электрическую энергию. В стационарном демонстрационном эксперименте лазерный луч обеспечил энергией модельный пропеллер.

Полученный результат стал важным доказательством принципиальной работоспособности концепции, однако до практического применения технологии ещё далеко. Исследователям предстоит проверить систему на реально летающем беспилотнике в условиях открытого пространства, где на работу оборудования будут влиять ветер, вибрации, изменение освещения и другие непредсказуемые факторы.

Кроме того, потребуется разработать высокоскоростную оптическую систему наведения, способную постоянно удерживать лазерный луч на движущемся приёмнике. При этом сама технология должна обеспечивать высокий уровень безопасности, поскольку мощный зелёный лазер, направленный в воздух, потенциально может представлять опасность для пилотов воздушных судов и других объектов.

Разработчикам также необходимо исключить ситуации, при которых лазерный луч может попасть в кабину пилотируемого самолёта, повредить зрение человека или пересечь линии электропередачи. Поэтому создание полноценной системы потребует не только повышения эффективности преобразования энергии, но и разработки надёжных механизмов контроля и аварийного отключения лазера.

Тем не менее проведённая работа показывает, что беспроводная передача энергии на летательные аппараты с помощью лазера может быть технически реализуемой. Если будущие испытания подтвердят эффективность и безопасность системы в реальном полёте, технология потенциально позволит значительно увеличить продолжительность работы беспилотников без посадки.

В дальнейшем подобные системы могут найти применение в беспилотниках, используемых для наблюдения за лесами, мониторинга чрезвычайных ситуаций, доставки грузов и выполнения других длительных воздушных миссий. Однако до появления дронов, способных практически непрерывно находиться в воздухе благодаря лазерной подзарядке, потребуется решить ещё целый ряд технических и эксплуатационных задач.

Исследование опубликовано в журнале Matter & Light.