Дроны смогут летать бесконечно: учёные научились заряжать их лазером прямо в небе
/https%3A%2F%2Fs3.eu-central-1.amazonaws.com%2Fmedia.my.ua%2Ffeed%2F137%2Ff9ebab43cb70e65cb8a81e64539e27af.jpg)
Беспроводная зарядка уже давно не является новинкой для наших телефонов, часов, наушников и другой техники. Теперь исследователи хотят перенести беспроводное питание в небо — заряжать дроны прямо во время полёта, направляя лазер под их крылья. Результаты исследования опубликованы 29 июля в журнале Matter & Light.
«Представьте себе будущее, в котором дроны, осматривающие леса, осуществляющие мониторинг зон бедствий или доставляющие посылки, больше не нуждаются в частых посадках для замены батарей», — — говорит старший автор исследования Цзяньхуа Хань из Китайского университета гражданской авиации. — «Поскольку дроны выполняют всё более длительные миссии, время автономной работы стало одним из самых больших препятствий».
Исследователи разработали легкий приемник, основанный на конструкции солнечного элемента, который улавливает энергию лазерного луча и преобразует её в электроэнергию. Чтобы поддерживать устройство охлажденным, они стратегически разместили его на крыльях дрона и применили технологию блокировки тепла, что позволило приемнику преобразовывать большую часть энергии лазера в полезную электроэнергию.
Лазерный элемент, разработанный с учетом тепловыделения
Технология основана на тандемной конструкции, состоящей из перовскитного лазерного элемента и термоэлектрического модуля (PLC-TE) — типа солнечной батареи, оптимизированной не для солнечного света, а для лазеров. Перовскитный слой преобразует энергию лазера в электроэнергию, тогда как термоэлектрический слой поглощает энергию, которая в противном случае была бы потеряна в виде тепла. Чем больше разница температур между более тёплой стороной, обращённой к лазеру, и более холодной противоположной стороной, тем больше электроэнергии может произвести термоэлектрический слой. Однако мощные лазеры также значительно нагревают устройство, что снижает его эффективность.
«Когда мы испытали устройство под воздействием лазера высокой мощности, тепловизионная камера показала температуру от 80 до 90 °C (176–194 °F)», — говорит Хань. — «Это было значительно выше, чем мы ожидали, и заставило нас понять, что накопление тепла — гораздо более серьезная проблема, чем мы предполагали».
Охлаждение приемника на месте
Чтобы предотвратить перегрев устройства, исследователи встроили в тандемное устройство PLC-TE специализированные нанокристаллы. Эти нанокристаллы плохо проводят тепло и выполняют роль теплового барьера, замедляя передачу тепла и помогая устройству поддерживать свою производительность при длительном воздействии лазера. Под действием зеленого лазера система преобразовывала 38,49 % входной энергии в электроэнергию — это один из самых высоких показателей эффективности, зафиксированных для этого класса технологий при аналогичных условиях работы.
«Предыдущие исследования в основном были сосредоточены на материалах или самом устройстве», — отмечает Хань. — «Мы хотели выйти за пределы лаборатории и подумать о том, как систему можно фактически интегрировать в летательный аппарат, охлаждать во время работы и сделать совместимой с полётом. Это не только проблема материаловедения — это инженерная проблема».
В качестве подтверждения концепции команда также установила устройство под крылом неподвижной модели дрона и прорезала в крыле воздушные каналы. Направление зеленого лазера на устройство успешно обеспечило питание лопасти пропеллера модели. Кроме того, воздушный поток дополнительно охлаждал холодную сторону термоэлектрического слоя, повышая общую производительность устройства.
От лабораторной модели до полёта
Устройство пока не поднималось в воздух. Следующим этапом станет его испытание на борту лёгкого дрона, чтобы доказать способность надёжно работать в условиях открытого пространства. Исследователям также предстоит решить вопросы точного наведения лазерного луча на движущиеся дроны, а также обеспечения безопасности этой технологии.
«Наша работа демонстрирует возможность „заправлять летательные аппараты светом“», — — говорит Хань. «Переход от 1 до 100 потребует решения многих инженерных задач, но мы надеемся, что это станет отправной точкой для дальнейшего развития».
Отдельно стоит отметить, что сама идея передачи энергии с помощью лазера не нова — над ней уже более десятилетия работают исследовательские центры и оборонные агентства, однако именно этот проект стал одним из первых, в котором внимание уделялось не только эффективности приемника, но и его интеграции в конструкцию беспилотника, а также активному охлаждению во время работы.
«Если эту технологию удастся внедрить в практику, она может коренным образом изменить концепцию эксплуатации БПЛА: вместо полётов продолжительностью 30–90 минут дроны потенциально смогут оставаться в воздухе практически непрерывно, осуществляя многочасовой мониторинг лесных пожаров, охрану границ, инспекцию критически важной инфраструктуры или доставку грузов без необходимости возвращаться для замены или зарядки аккумулятора», — отмечает TechXplore.
В то же время перед коммерческим внедрением инженерам предстоит решить чрезвычайно сложные задачи —обеспечить высокоточное наведение лазера на движущийся дрон, автоматическое отключение луча в случае появления препятствий и обеспечение безопасности системы для людей, птиц и гражданской авиации.
Источник: TechXplore