Сотрудники Университета гражданской авиации Китая создали конструкцию, которая в будущем может обеспечить подзарядку беспилотных летательных аппаратов во время их работы посредством лазерного излучения. Данная методика предусматривает передачу электроэнергии от расположенной на земле лазерной установки к небольшому ресиверу, размещенному под крылом дрона.

Целью этой разработки является устранение одной из ключевых сложностей современных беспилотных летательных аппаратов – недостаточной мощности батарей. По мнению создателей технологии, она позволит устройствам находиться в воздухе более продолжительное время без необходимости периодического приземления для замены или пополнения заряда аккумуляторов.

Небольшой вес ресивера позволяет ему эффективно улавливать энергию лазерного луча, посылаемого с поверхности планеты, и сразу же преобразовывать её в электричество. В основе системы лежит комбинация из перовскитного лазера и термоэлектрического генератора под названием PLC-TE.

Фактически, команда разработчиков модифицировала принцип действия солнечной панели для работы не с естественным освещением, а с интенсивным лазерным потоком. Верхний слой устройства поглощает это излучение и трансформирует его в электричество, тогда как расположенный ниже термоэлектрический элемент использует возникающее при этом избыточное тепло.

«Представьте себе сценарий, когда разведывательные аппараты, осуществляющие мониторинг лесных массивов, оценивающие ущерб после природных катаклизмов или доставляющие грузы, смогут функционировать без частой необходимости в подзарядке. », — поделился старший участник научной работы Цзяньхуа Хань из Университета гражданской авиации КНР.

Он подчеркнул, что представленная разработка указывает на перспективу «беспроводной зарядки летательных аппаратов с использованием световой энергии». При этом ученый указал на то, что для внедрения этой технологии от лабораторного образца до реальной системы потребуется преодоление значительного числа технических сложностей.

Значительным затруднением при передаче энергии посредством лазерного луча стала проблема перегрева. Для обеспечения необходимой мощности, позволяющей функционировать летательному аппарату, требуется интенсивное излучение, что приводит к быстрому нагреву компактного приемника.

Интенсивное повышение температуры негативно сказывается на эффективности преобразования энергетических потоков и может привести к повреждению или даже разрушению отдельных элементов конструкции еще до того, как энергия достигнет беспилотного летательного аппарата. В связи с этим разработчикам пришлось одновременно заниматься задачей трансформации лазерной энергии и рассеиванием избыточного тепла.

На начальном этапе разработки специалисты изготовили двухслойную конструкцию приемника, включающую перовскитовый лазерный элемент и находящийся под ним термоэлектрический генератор. Верхний слой предназначен для преобразования лазерного излучения в электрическую энергию, а нижний использует часть выделяемого тепла с целью дополнительного производства энергии.

В процессе тестирования при использовании мощного лазера тепловизионные датчики показали заметно повышенную температуру устройства – от 80 до 90 градусов Цельсия. Для ограничения распространения тепла внутри аппарата, специалисты внедрили нанокристаллы, выполняющие функцию изоляционного слоя.

Последующим шагом стало включение системы в общую конструкцию летательного устройства. Вместо использования громоздкого внешнего приемника, разработчики поместили ультратонкое устройство под крылом беспилотного аппарата.

Проектирование крыла включало наличие отдельных воздушных путей. В процессе движения воздуха, направляемого в эти каналы, происходит пассивное снижение температуры задней части приёмника.

Дифференциация температур между передним участком конструкции, подверженным воздействию лазерного излучения, и её задней частью, охлаждаемой воздушным потоком, обеспечивает функционирование термоэлектрического преобразователя. Величина разности температур напрямую влияет на объём дополнительной электроэнергии, которую может генерировать данный слой.

«Ранее проводимые работы в основном касались изучения материалов или непосредственно самой конструкции устройства », — уточнил Хань. Он отметил, что целью исследователей было расширение границ лабораторных испытаний и определение принципов интеграции подобной системы на борту летательного аппарата, а также гарантия её эффективного охлаждения и соответствия условиям полёта.

Следовательно, команда создателей видит в этой разработке не просто научную задачу из области науки о материалах, но и сложную техническую проблему, затрагивающую вопросы аэродинамики, терморегуляции, передачи энергии и контроля над лазерным излучением.

В ходе лабораторных тестов с применением зелёного лазера, полученное устройство продемонстрировало преобразование 38,49% падающей на него лазерной мощности в востребованную электрическую энергию. В рамках стационарной демонстрации, луч света обеспечивал работу миниатюрной модели винта.

Этот результат стал значимым подтверждением возможности реализации задуманного подхода, хотя до внедрения технологии в реальную жизнь потребуется ещё немало усилий. Специалистам необходимо будет оценить эффективность системы при установке на настоящий летательный аппарат и эксплуатации в условиях окружающей среды, где воздействуют ветер, колебания, изменения освещённости и другие непредсказуемые явления.

В дополнение к этому, требуется создание высокоскоростной оптической системы для точного позиционирования лазерного луча, способной непрерывно удерживать его на движущейся цели. При этом необходимо обеспечить высокий уровень безопасности, поскольку мощное зелёное лазерное излучение, направленное в атмосферу, может создать угрозу для авиации и других объектов.

Специалистам следует предусмотреть условия, при которых луч излучения может воздействовать на кабину пилотируемого летательного аппарата, негативно сказаться на зрении человека или привести к повреждению электрических сетей. В связи с этим, для создания работоспособной системы потребуется не только улучшение эффективности преобразования энергии, но и создание надёжных средств управления и автоматического выключения лазера в случае аварии.

Несмотря на это, выполненные исследования демонстрируют возможность беспроводной передачи электроэнергии летательным аппаратам посредством лазерного излучения. В случае если будущие тесты подтвердят результативность и безопасность системы во время реального полёта, данная технология может существенно продлить период работы дронов без необходимости приземления.

В перспективе подобные решения могут быть использованы в беспилотных летательных аппаратах для наблюдения за лесными массивами, контроля над стихийными бедствиями, транспортировки грузов и других продолжительных воздушных операций. Но до появления устройств, которые смогут практически постоянно оставаться в воздухе благодаря лазерной подзарядке, предстоит преодолеть множество инженерных и практических препятствий.

Исследование опубликовано в журнале Matter & Light.