Дрони зможуть літати безкінечно: вчені навчилися заряджати їх лазером просто в небі
/https%3A%2F%2Fs3.eu-central-1.amazonaws.com%2Fmedia.my.ua%2Ffeed%2F137%2F8bd95176fa9da32a269448afef4a76b7.jpg)
Бездротове заряджання вже давно не є новинкою для наших телефонів, годинників, навушників та іншої техніки. Тепер дослідники хочуть перенести бездротове живлення в небо — заряджати дрони прямо під час польоту, спрямовуючи лазер під їхні крила. Результати дослідження опубліковано 29 липня в журналі Matter & Light.
“Уявіть майбутнє, в якому дрони, що інспектують ліси, здійснюють моніторинг зон лиха або доставляють посилки, більше не потребують частих посадок для заміни батарей”, — говорить старший автор дослідження Цзяньхуа Хань із Університету цивільної авіації Китаю. — “Оскільки дрони виконують дедалі триваліші місії, час автономної роботи став однією з найбільших перешкод”.
Дослідники розробили легкий приймач, заснований на конструкції сонячного елемента, який захоплює енергію лазерного променя та перетворює її на електроенергію. Щоб підтримувати пристрій прохолодним, вони стратегічно розмістили його на крилах дрона та використали технологію блокування тепла, що дозволило приймачу перетворювати більшу частину енергії лазера на корисну електроенергію.
Лазерний елемент, створений з урахуванням тепла
Технологія базується на тандемному пристрої перовськітного лазерного елемента з термоелектричним модулем (PLC-TE) — типі сонячного елемента, оптимізованого не для сонячного світла, а для лазерів. Перовськітний шар перетворює енергію лазера на електроенергію, тоді як термоелектричний шар захоплює енергію, яка інакше була б втрачена у вигляді тепла. Чим більшою є різниця температур між теплішою стороною, зверненою до лазера, і холоднішою протилежною стороною, тим більше електроенергії може виробити термоелектричний шар. Однак потужні лазери також значно нагрівають пристрій, що знижує його ефективність.
“Коли ми випробували пристрій під дією лазера високої потужності, теплова камера показала температуру від 80 до 90°C (176–194°F)”, — каже Хань. — “Це було значно вище, ніж ми очікували, і змусило нас зрозуміти, що накопичення тепла є набагато серйознішою проблемою, ніж ми уявляли”.
Охолодження приймача на місці
Щоб запобігти перегріванню пристрою, дослідники вбудували в тандемний пристрій PLC-TE спеціалізовані нанокристали. Ці нанокристали погано проводять тепло й виконують роль теплового бар’єра, сповільнюючи передачу тепла та допомагаючи пристрою підтримувати свою продуктивність під час тривалого впливу лазера. Під дією зеленого лазера система перетворювала 38,49% вхідної енергії на електроенергію — це один із найвищих показників ефективності, зафіксованих для цього класу технологій за подібних умов роботи.
“Попередні дослідження здебільшого були зосереджені на матеріалах або самому пристрої”, — зазначає’ Хань. — “Ми хотіли вийти за межі лабораторії й подумати про те, як систему можна фактично інтегрувати в літальний апарат, охолоджувати під час роботи та зробити сумісною з польотом. Це не лише проблема матеріалознавства — це інженерна проблема”.
Як підтвердження концепції, команда також інтегрувала пристрій під крилом нерухомої моделі дрона та прорізала в крилі повітряні канали. Спрямування зеленого лазера на пристрій успішно забезпечило живлення лопаті пропелера моделі. Крім того, потік повітря додатково охолоджував холодну сторону термоелектричного шару, підвищуючи загальну продуктивність пристрою.
Від лабораторної моделі до польоту
Пристрій поки що не піднімався в повітря. Наступним етапом стане його випробування на борту легкого дрона, щоб довести здатність надійно працювати в умовах відкритого простору. Дослідникам також доведеться вирішити питання точного наведення лазерного променя на дрони, що рухаються, а також убезпечення цієї технології.
“Наша робота демонструє можливість “заправляти літальні апарати світлом””, — каже Хань. “Перехід від 1 до 100 вимагатиме вирішення багатьох інженерних завдань, але ми сподіваємося, що це стане відправною точкою для подальшого розвитку”.
Окремо варто зазначити, що сама ідея передавання енергії лазером не є новою — над нею вже понад десятиліття працюють дослідницькі центри та оборонні агентства, однак саме цей проєкт став одним із перших, де увагу зосередили не лише на ефективності приймача, а й на його інтеграції в конструкцію безпілотника та активному охолодженні під час роботи.
“Якщо технологію вдасться довести до практичного використання, вона може докорінно змінити концепцію експлуатації БПЛА: замість польотів тривалістю 30–90 хвилин дрони потенційно зможуть залишатися в повітрі практично безперервно, виконуючи багатогодинний моніторинг лісових пожеж, охорону кордонів, інспекцію критичної інфраструктури чи доставку вантажів без необхідності повертатися для заміни або заряджання акумулятора”, — зауважує TechXplore.
Водночас перед комерційним впровадженням інженерам ще належить вирішити надзвичайно складні завдання — забезпечити високоточне наведення лазера на рухомий дрон, автоматично вимикати промінь у разі появи перешкод та довести безпечність системи для людей, птахів і цивільної авіації.
Джерело: TechXplore