研究者たちは、ドローンの飛行中にレーザービームを使って充電する方法を開発しています。このレーザービームは、ドローンの翼の下に取り付けられた受信機に向けられています。中国民航大学のチームは、この進展がドローンのバッテリー寿命の制限という、ドローン技術が直面している最大の課題の一つを解決することを示しています。この軽量受信機は、地上からのレーザーのエネルギーを捕らえ、直接電力に変換することを目的としています。注目すべきは、この技術が改良された太陽電池であるペロブスカイトレーザー電池-熱電（PLC-TE）直列装置に依存していることで、これは標準的な太陽光ではなく、高出力レーザービームを吸収するように設計されています。
中国民航大学のシニア著者である韓建華は、「森林の点検、災害の監視、または荷物の配送を行う際に、ドローンが頻繁に着陸してバッテリーを交換する必要がない未来を想像してみてください」と述べています。彼はさらに、「私たちの研究は、光で『飛行機に給油する』可能性を示しています。1から100への変化には多くの工学的課題を解決する必要がありますが、私たちはこれが未来の発展の出発点になることを望んでいます」と付け加えました。
ドローン充電技術の画期的な進展
熱の障害の課題
長い間、ドローンへの無線電力伝送は不可能に思われていました。これは、強力な熱という物理的障害があるからです。必要な高出力レーザーが生成する飛行中の電力は、小さな受信機を急速に過熱させ、効率を低下させ、利用可能なエネルギーが供給される前に部品を溶かしてしまいます。まず、研究者たちは、ペロブスカイトレーザー電池と熱電発電機からなる二層受信機を設計しました。上層はレーザー光を捕らえ、電力に変換し、下層は廃熱を収集してさらにエネルギーを抽出します。高出力レーザーのテストでは、サーモグラフィーが80-90°C（176-194°F）という予想外の温度を示しました。
この課題に対処するために、研究者たちは装置に熱障害ナノクリスタルを埋め込み、熱の障壁として機能させました。次に興味深いのは、気流の統合です。チームは、重いセンサーをドローンの上に取り付けるのではなく、超薄型受信機を翼の下に隠し、機体にカスタムの気流通路を彫刻しました。ドローンが飛行する際、流れる風が自然に翼を通り抜け、受信機の後部を冷却します。受信機の後部がレーザーで焼かれる前部に比べて冷たければ冷たいほど、熱電層が生成する電力は増加します。
韓建華は、「以前の研究は主に材料や装置自体に焦点を当てていましたが、私たちは実験室を超えて、システムが飛行機にどのように統合され、運用中に冷却され、飛行と互換性を持つかを考えたいと思っています。これは単なる材料科学の問題ではなく、工学の問題です」と述べています。
無線電力伝送の課題と未来の展望
エネルギー変換効率
実験室でのテストでは、緑色のレーザービームを使用し、このシステムは38.49%の入射レーザーエネルギーを利用可能な電力に変換しました。静止した概念実証では、レーザービームがモデルプロペラに動力を供給しました。これは大きな概念実証ですが、空中でのレーザー伝送が商業的現実になる前には依然として重大な問題があります。研究者たちは、予測不可能な屋外環境でこの技術を活発に自由飛行テストする必要があります。電力受信機自体に加えて、エンジニアは空中数マイルの移動目標をロックオンできる高速追跡光学システムを構築しなければなりません。
同時に、高出力の緑色レーザービームが商業パイロットを偶然に失明させたり、電線を切断したりしないようにする必要があります。それでも、基盤はすでに築かれています。もし私たちがベッドサイドの充電器でスマートフォンを充電できるなら、空も禁区であるべきではありません。いくつかの工学的創意と大量の光があれば、永久飛行の時代がついに目の前に迫っているかもしれません。
この研究は7月29日に『マテリアルズ・アンド・ライト』誌に発表されました。