TOKYO - 17 September, 2025 -NTT, Inc. (Ibu Pejabat: Chiyoda, Tokyo; Presiden dan Ketua Pegawai Eksekutif: Akira Shimada; selepas ini "NTT") dan Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. (Ibu Pejabat: Chiyoda, Tokyo; Presiden dan Ketua Pegawai Eksekutif: Eisaku Ito; selepas ini "MHI") menjalankan eksperimen penghantaran kuasa wayarles optik menggunakan pancaran laser untuk menghantar tenaga secara wayarles sejauh 1 kilometer. Dengan menyinari pancaran laser dengan kuasa optik 1 kW, kami berjaya menerima 152 W kuasa elektrik sejauh 1 kilometer. Ini menandakan kecekapan tertinggi dunia bagi penghantaran kuasa wayarles optik menggunakan elemen penukaran fotoelektrik silikon(Note2) dalam persekitaran dengan pergolakan atmosfera yang kuat.
Keputusan ini menunjukkan kemungkinan untuk menyampaikan kuasa ke tapak yang jauh. Pada masa hadapan, ia dijangka akan digunakan pada-transmisi kuasa atas permintaan ke pulau terpencil dan-kawasan dilanda bencana di mana kabel kuasa tidak boleh dipasang.
Pencapaian ini diterbitkan dalam majalah British Electronics Letters pada 5 Ogos 2025.
Latar belakang
Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, teknologi penghantaran kuasa tanpa wayar untuk peranti seperti telefon pintar, peranti boleh pakai, dron dan kenderaan elektrik, yang boleh membekalkan elektrik tanpa menggunakan kabel, telah mendapat perhatian yang semakin meningkat. Terdapat dua jenis sistem penghantaran kuasa tanpa wayar: satu menggunakan gelombang mikro dan satu lagi menggunakan pancaran laser. Penghantaran kuasa wayarles gelombang mikro sudah digunakan secara praktikal dan penggunaannya semakin berkembang. Sebaliknya, penghantaran kuasa wayarles optikal menggunakan pancaran laser belum digunakan secara praktikal, tetapi ia dijangka dapat merealisasikan penghantaran kuasa wayarles jarak jauh-jauh padat pada susunan kilometer dengan mengambil kesempatan daripada kedirectivity tinggi pancaran laser (Rajah 1).
Prospek masa hadapan membayangkan pembangunan infrastruktur-generasi akan datang yang mampu membekalkan kuasa dan meluaskan liputan komunikasi dalam situasi dan wilayah di mana rangkaian elektrik atau komunikasi tidak tersedia, seperti semasa bencana, di pulau terpencil, kawasan pergunungan atau di laut. Ini termasuk menyampaikan kuasa dengan tepat ke kawasan tertentu atau platform bergerak seperti dron. Mencapai penghantaran kuasa jarak-yang sangat tepat dan begitu memerlukan-penghantaran kuasa wayarles berasaskan laser yang mengambil kesempatan daripada hala tuju yang kukuh.
Cabaran teknologi sedia ada dan pencapaian eksperimen ini
Kecekapan teknologi penghantaran kuasa wayarles optik pada umumnya rendah, dan peningkatan kecekapan adalah isu untuk kegunaan praktikal. Salah satu sebab untuk ini ialah apabila pancaran laser-jarak jauh merambat, terutamanya di atmosfera, taburan keamatan menjadi tidak sekata dan kecekapan menukar pancaran laser kepada kuasa elektrik dalam elemen penukaran fotoelektrik menjadi rendah.
Dalam percubaan ini, kami menggabungkan teknologi pembentuk pancaran NTT dengan teknologi penerima cahaya MHI untuk meningkatkan kecekapan penghantaran kuasa tanpa wayar laser. Kami menjalankan-percubaan penghantaran kuasa wayarles optik jarak jauh dalam persekitaran luar menggunakan-teknologi pembentuk rasuk rata jarak jauh yang membentuk rasuk di bahagian penghantaran untuk mencapai keamatan rasuk seragam selepas perambatan 1 kilometer dan teknologi perataan arus keluaran yang menyekat pengaruh turun naik atmosfera dengan penyeragam dan litar perataan pada bahagian penerima.
Dari Januari hingga Februari 2025, kami menjalankan percubaan penghantaran kuasa wayarles optik di landasan di Lapangan Terbang Nanki-Shirahama di Bandar Shirahama, Daerah Nishimuro, Wilayah Wakayama (Rajah 2). Sebuah gerai penghantaran yang dilengkapi dengan sistem optik untuk memancarkan pancaran laser telah dipasang pada satu hujung landasan, dan gerai penerimaan yang mengandungi panel-penerima cahaya diletakkan sejauh 1 kilometer.
Semasa penghantaran, paksi optik laser ditetapkan pada ketinggian rendah kira-kira 1 meter di atas tanah dan dijajarkan secara mendatar. Akibatnya, rasuk telah terjejas dengan kuat oleh pemanasan tanah dan angin, dan eksperimen dijalankan dalam keadaan dengan pergolakan atmosfera yang kuat.
Di dalam gerai penghantaran, pancaran laser dengan kuasa optik 1035 W telah dihasilkan. Menggunakan elemen optik belauan (DOE)(Note3), rasuk itu dibentuk untuk mencipta taburan keamatan seragam pada jarak 1 kilometer. Di samping itu, cermin stereng rasuk digunakan untuk mengarahkan rasuk berbentuk dengan tepat ke arah panel penerima. Rasuk keluar melalui apertur gerai penghantaran dan disebarkan merentasi 1 kilometer ruang terbuka, akhirnya sampai ke gerai penerimaan tetamu.
Semasa perambatan, pergolakan atmosfera menyebabkan turun naik dalam keamatan rasuk, mewujudkan titik panas. Ini telah disebarkan oleh penghomogen di gerai penerimaan, mengakibatkan rasuk seragam disinari ke panel penerima. Pancaran laser kemudiannya ditukar dengan cekap kepada kuasa elektrik (Rajah 3). Elemen penukaran fotoelektrik berasaskan silikon-diguna pakai untuk panel penerima, dengan mengambil kira kos dan ketersediaan.
Dalam eksperimen ini, purata kuasa elektrik yang diekstrak daripada panel penerima ialah 152 W (Rajah 4), sepadan dengan kecekapan penghantaran kuasa wayarles sebanyak 15%, ditakrifkan sebagai nisbah kuasa elektrik yang diterima kepada kuasa optik yang dihantar. Keputusan ini menandakan kecekapan penghantaran kuasa wayarles optik tertinggi di dunia yang pernah ditunjukkan menggunakan elemen penukaran fotoelektrik berasaskan silikon-di bawah keadaan pergolakan atmosfera yang kuat. Selain itu, penghantaran kuasa berterusan berjaya dikekalkan selama 30 minit, mengesahkan kebolehlaksanaan penghantaran kuasa-panjang yang menggunakan teknologi ini.
Nota:Dari perspektif keselamatan, sistem penghantaran optik dan panel penerima masing-masing dipasang di dalam gerai untuk mengelakkan pendedahan tidak sengaja kepada pancaran laser-tinggi dan penyebaran cahaya yang dipantulkan.
Sorotan teknikal
Teknologi pembentukan rasuk rata jarak jauh-
Untuk meningkatkan kecekapan penukaran fotoelektrik, adalah perlu untuk membuat pengagihan intensiti kejadian rasuk pada elemen penukaran fotoelektrik seragam.
Dalam kajian ini, kami mencadangkan kaedah membentuk rasuk yang membolehkan keseragaman keamatan selepas-perambatan jarak jauh. Dalam pendekatan ini, bahagian luar rasuk diubah menjadi corak-gelang menggunakan kesan kanta aksikon(Nota4). Bahagian tengah rasuk adalah fasa-dimodulatkan untuk berkembang melalui kesan kanta cekung. Apabila rasuk merambat, rasuk berbentuk gelang-dan rasuk tengah yang dibesarkan secara beransur-ansur bertindih, menghasilkan taburan keamatan seragam di lokasi sasaran, seperti ditunjukkan dalam Rajah 5.
Untuk percubaan, kami mengoptimumkan reka bentuk rasuk untuk mencapai profil keamatan yang dikehendaki pada jarak 1 kilometer. Pembentukan rasuk telah dilaksanakan menggunakan elemen optik difraksi, yang meningkatkan keseragaman intensiti rasuk pada kedudukan sasaran yang terletak 1 kilometer jauhnya.
Output teknologi perataan semasa
Apabila pancaran laser merambat melalui atmosfera, ia dipengaruhi oleh pergolakan atmosfera, yang mengganggu taburan keamatan. Walaupun teknik pembentukan rasuk rata-yang diterangkan di atas boleh menyeragamkan taburan keamatan, pergolakan yang kuat masih boleh menyebabkan pembentukan tompok-intensiti tinggi, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 6.
Untuk menangani isu ini, kami meletakkan penyeragam rasuk di hadapan panel penerima-cahaya. Penghomogen meresap bintik-berintensiti tinggi supaya rasuk disinari secara seragam ke panel. Di samping itu, litar meratakan disambungkan kepada setiap elemen penukaran fotoelektrik pada panel penerima. Litar ini membantu menyekat turun naik arus keluaran yang disebabkan oleh pergolakan atmosfera dan menyumbang kepada menstabilkan keluaran kuasa keseluruhan.
Kedua-dua teknologi ini memungkinkan untuk mencapai keseragaman rasuk dalam penghantaran pesanan kilometer-, yang sukar dengan kaedah pembentukan rasuk konvensional dan untuk menstabilkan output dalam persekitaran luar. Akibatnya, bekalan kuasa yang stabil ke lokasi terpencil seperti pulau terpencil dan-kawasan terjejas bencana dijangka dapat dilaksanakan.
Peranan setiap syarikat
NTT: Reka bentuk dan pelaksanaan optik penghantaran seperti teknik membentuk rasuk
MHI: Reka bentuk dan pelaksanaan optik pengesan foto seperti panel pengesan foto, penghomogen dan litar meratakan
Perkembangan masa hadapan
Teknologi ini membolehkan penghantaran tenaga yang cekap dan stabil pada jarak jauh walaupun di bawah pergolakan atmosfera. Dalam eksperimen ini, silikon digunakan sebagai elemen penukaran fotovoltaik. Walau bagaimanapun, dengan menggunakan peranti fotovoltaik yang direka khusus untuk memadankan panjang gelombang cahaya laser, kecekapan pemindahan kuasa yang lebih tinggi boleh dijangkakan. Di samping itu, penggunaan sumber cahaya laser dengan kuasa keluaran yang lebih tinggi akan memungkinkan untuk membekalkan jumlah elektrik yang lebih besar.
Akibatnya, penyampaian kuasa yang fleksibel dan pantas boleh dicapai di kawasan terpencil seperti-wilayah yang dilanda bencana dan pulau terpencil, di mana pemasangan kabel kuasa secara tradisinya sukar. Di luar aplikasi terestrial, pelbagai kes penggunaan baharu juga boleh dibayangkan berdasarkan teknologi ini (Rajah 7). Terutamanya, kearaharah yang tinggi dan perbezaan pancaran laser yang rendah membolehkan reka bentuk peranti penerima yang padat dan ringan. Ini adalah kelebihan utama untuk platform mudah alih yang menghadapi had ketat dalam berat dan kapasiti muatan.
Sebagai contoh, dengan menggabungkan teknologi ini dengan teknik stereng rasuk, ia menjadi mungkin untuk menyampaikan kuasa secara wayarles kepada dron dalam penerbangan. Ini mengelakkan kekangan operasi seperti pendaratan untuk penggantian bateri atau penggunaan kabel bekalan kuasa yang ditambat, mendayakan-tempoh dan-jarak jauh operasi berterusan. Keupayaan sedemikian boleh meningkatkan-pemantauan kawasan bencana serta-penyampai komunikasi kawasan yang luas di kawasan pergunungan atau maritim, aplikasi yang sebelum ini sukar untuk direalisasikan.
Di samping itu, aplikasi berpotensi dalam angkasa dijangka, termasuk penghantaran kuasa ke platform mudah alih seperti HAPS (Stesen Platform Ketinggian Tinggi)(Note5), yang termasuk dalam skop jenama angkasa NTT, NTT C89(Note6). Memandang lebih jauh ke hadapan, teknologi itu boleh digunakan untuk kuasa pusat data angkasa dan rover bulan, serta sistem kuasa suria angkasa di mana elektrik dihantar dari satelit geostasioner ke tanah melalui laser. Aplikasi ini mewakili kawasan yang berpotensi kukuh untuk pengembangan pasaran.
Melalui kerjasama antara NTT dan MHI, kami telah merealisasikan teknologi pemindahan kuasa tanpa wayar laser yang paling cekap di dunia dalam keadaan yang terjejas teruk oleh turun naik atmosfera. Pencapaian ini mewakili satu langkah penting ke arah membina asas teknologi inovatif yang boleh memenuhi pelbagai keperluan masyarakat, daripada tindak balas bencana kepada pembangunan angkasa lepas.
