طوكيو - 17 سبتمبر، 2025 -أجرت شركة NTT, Inc. (المقر الرئيسي: تشيودا، طوكيو؛ الرئيس والمدير التنفيذي: أكيرا شيمادا؛ يُشار إليها فيما بعد بـ "NTT") وشركة Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. (المقر الرئيسي: تشيودا، طوكيو؛ الرئيس والمدير التنفيذي: إيساكو إيتو؛ يُشار إليه فيما بعد بـ "MHI") تجربة نقل طاقة لاسلكية بصرية باستخدام شعاع الليزر لنقل الطاقة لاسلكيًا على بعد كيلومتر واحد. ومن خلال إشعاع شعاع الليزر بقوة ضوئية قدرها 1 كيلوواط، نجحنا في الحصول على 152 واط من الطاقة الكهربائية على بعد كيلومتر واحد. يمثل هذا أعلى كفاءة في العالم لنقل الطاقة اللاسلكية الضوئية باستخدام عنصر التحويل الكهروضوئي السيليكوني (Note2) في بيئة ذات اضطرابات جوية قوية.
توضح هذه النتيجة جدوى إيصال الطاقة إلى المواقع البعيدة. ومن المتوقع في المستقبل أن يتم تطبيقه على-نقل الطاقة عند الطلب إلى الجزر النائية والمناطق المنكوبة بالكوارث-حيث لا يمكن تركيب كابلات الطاقة.
تم نشر هذا الإنجاز في مجلة إلكترونيكس ليترز البريطانية بتاريخ 5 أغسطس 2025.
خلفية
في السنوات الأخيرة، حظيت تقنيات نقل الطاقة اللاسلكية لأجهزة مثل الهواتف الذكية، والأجهزة القابلة للارتداء، والطائرات بدون طيار، والمركبات الكهربائية، والتي يمكنها توفير الكهرباء دون استخدام الكابلات، باهتمام متزايد. هناك نوعان من أنظمة نقل الطاقة اللاسلكية: أحدهما يستخدم الموجات الدقيقة والآخر يستخدم أشعة الليزر. إن نقل الطاقة اللاسلكية عبر الميكروويف قيد الاستخدام العملي بالفعل ويتوسع استخدامه. من ناحية أخرى، لم يتم وضع نقل الطاقة اللاسلكية الضوئية باستخدام شعاع الليزر موضع الاستخدام العملي، ولكن من المتوقع تحقيق نقل الطاقة اللاسلكية لمسافات طويلة - المدمجة في حدود الكيلومترات من خلال الاستفادة من الاتجاهية العالية لشعاع الليزر (الشكل 1).
تتصور الآفاق المستقبلية تطوير البنية التحتية للجيل التالي- القادرة على توفير الطاقة وتوسيع تغطية الاتصالات في المواقف والمناطق التي لا تتوفر فيها شبكات الكهرباء أو الاتصالات، كما هو الحال أثناء الكوارث، أو في الجزر النائية، أو المناطق الجبلية، أو في البحر. ويشمل ذلك توصيل الطاقة على وجه التحديد إلى مناطق محددة أو منصات متحركة مثل الطائرات بدون طيار. يتطلب تحقيق توصيل الطاقة على مسافة - دقيقة للغاية وطويلة نقل الطاقة اللاسلكي المعتمد على الليزر - والذي يستفيد من اتجاهه القوي.
تحديات التقنيات الحالية وإنجازات هذه التجربة
كفاءة تكنولوجيا نقل الطاقة اللاسلكية الضوئية منخفضة بشكل عام، وتحسين الكفاءة يمثل مشكلة للاستخدام العملي. أحد أسباب ذلك هو أنه عندما ينتشر شعاع الليزر لمسافات طويلة-، خاصة في الغلاف الجوي، يصبح توزيع الكثافة غير متساوٍ، وتنخفض كفاءة تحويل شعاع الليزر إلى طاقة كهربائية في عنصر التحويل الكهروضوئي.
في هذه التجربة، قمنا بدمج تقنية تشكيل الشعاع من NTT مع تقنية استقبال الضوء من MHI لتحسين كفاءة نقل الطاقة اللاسلكية بالليزر. لقد أجرينا تجربة نقل طاقة لاسلكية بصرية- لمسافات طويلة في بيئة خارجية باستخدام تقنية تشكيل الشعاع المسطح لمسافة طويلة- التي تشكل الشعاع في جانب الإرسال لتحقيق كثافة شعاع موحدة بعد انتشار يبلغ كيلومترًا واحدًا، وتقنية ضبط مستوى تيار الخرج التي تمنع تأثير التقلبات الجوية باستخدام دوائر المجانسة والتسوية على جانب الاستقبال.
في الفترة من يناير إلى فبراير 2025، أجرينا تجربة نقل الطاقة اللاسلكية الضوئية على المدرج في مطار نانكي-شيراهاما في مدينة شيراهاما، منطقة نيشيمورو، محافظة واكاياما (الشكل 2). تم تركيب حجرة إرسال مجهزة بنظام بصري لإصدار شعاع الليزر في أحد طرفي المدرج، كما تم وضع حجرة استقبال تحتوي على لوحة استقبال ضوئية على بعد كيلومتر واحد.
أثناء الإرسال، تم ضبط المحور البصري لليزر على ارتفاع منخفض يبلغ حوالي متر واحد فوق سطح الأرض وتم محاذاته أفقيًا. ونتيجة لذلك، تأثر الشعاع بشدة بتسخين الأرض والرياح، وأجريت التجربة في ظل ظروف ذات اضطراب جوي قوي.
داخل حجرة النقل، تم توليد شعاع ليزر بقوة بصرية تبلغ 1035 واط. وباستخدام العنصر البصري الحيود (DOE) (ملاحظة 3)، تم تشكيل الشعاع لإنشاء توزيع موحد للكثافة على مسافة كيلومتر واحد. بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام مرآة توجيه الشعاع لتوجيه الشعاع المُشكل بدقة نحو لوحة الاستقبال. خرج الشعاع من خلال فتحة حجرة الإرسال وانتشر عبر كيلومتر واحد من المساحة المفتوحة، ليصل في النهاية إلى حجرة الاستقبال.
أثناء الانتشار، تسببت الاضطرابات الجوية في حدوث تقلبات في شدة الشعاع، مما أدى إلى إنشاء نقاط ساخنة. وقد تم نشرها بواسطة جهاز تجانس في حجرة الاستقبال، مما أدى إلى تشعيع شعاع موحد على لوحة الاستقبال. ثم تم تحويل شعاع الليزر بكفاءة إلى طاقة كهربائية (الشكل 3). تم اعتماد عنصر تحويل كهروضوئي يعتمد على السيليكون- في لوحة الاستقبال، مع الأخذ في الاعتبار التكلفة والتوفر.
في هذه التجربة، كان متوسط الطاقة الكهربائية المستخرجة من لوحة الاستقبال 152 واط (الشكل 4)، وهو ما يعادل كفاءة نقل الطاقة اللاسلكية بنسبة 15%، والتي تُعرف بأنها نسبة الطاقة الكهربائية المستلمة إلى الطاقة الضوئية المنقولة. تمثل هذه النتيجة أعلى كفاءة في العالم لنقل الطاقة الضوئية اللاسلكية على الإطلاق باستخدام عنصر تحويل كهروضوئي قائم على السيليكون-في ظل ظروف الاضطرابات الجوية القوية. علاوة على ذلك، تمت المحافظة على توصيل الطاقة المستمر بنجاح لمدة 30 دقيقة، مما يؤكد جدوى نقل الطاقة لمدة -طويلة باستخدام هذه التقنية.
ملاحظة:من منظور السلامة، تم تركيب كل من نظام النقل البصري ولوحة الاستقبال داخل المقصورات لمنع التعرض العرضي لأشعة الليزر-عالية الطاقة وتشتت الضوء المنعكس.
أبرز النقاط الفنية
تقنية تشكيل الشعاع المسطح لمسافة طويلة-.
لتحسين كفاءة التحويل الكهروضوئي، من الضروري جعل توزيع كثافة الشعاع الساقط على عنصر التحويل الكهروضوئي موحدًا.
في هذه الدراسة، اقترحنا طريقة لتشكيل الشعاع تتيح توحيد الكثافة بعد الانتشار لمسافات طويلة. في هذا الأسلوب، يتم تحويل الجزء الخارجي من الشعاع إلى نمط على شكل حلقة - باستخدام تأثير عدسة المحور (Note4). الجزء المركزي من الحزمة عبارة عن طور - معدل للتوسع من خلال تأثير عدسة مقعرة. مع انتشار الشعاع، يتداخل الشعاع ذو الشكل الدائري- مع الشعاع المركزي الموسع تدريجيًا، مما يؤدي إلى توزيع موحد للكثافة في الموقع المستهدف، كما هو موضح في الشكل 5.
بالنسبة للتجربة، قمنا بتحسين تصميم الشعاع لتحقيق ملف تعريف الكثافة المطلوب على مسافة كيلومتر واحد. تم تنفيذ تشكيل الشعاع باستخدام عنصر بصري حيود، مما أدى إلى تحسين توحيد شدة الشعاع في موضع الهدف الواقع على بعد كيلومتر واحد.
تكنولوجيا التسوية الحالية للإخراج
ومع انتشار شعاع الليزر عبر الغلاف الجوي، فإنه يتأثر بالاضطرابات الجوية، مما يؤدي إلى اضطراب توزيع الكثافة. على الرغم من أن تقنية تشكيل الحزمة-المسطحة الموصوفة أعلاه يمكن أن توحد توزيع الشدة، إلا أن الاضطراب القوي لا يزال من الممكن أن يسبب تكوين-بقع عالية الشدة، كما هو موضح في الشكل 6.
لمعالجة هذه المشكلة، وضعنا جهازًا لتجانس الشعاع أمام لوحة استقبال الضوء. يقوم المجانس بنشر نقاط عالية الكثافة - بحيث يتم تشعيع الشعاع بشكل موحد على اللوحة. بالإضافة إلى ذلك، تم توصيل دوائر التسوية بكل عنصر تحويل كهروضوئي على لوحة الاستقبال. تساعد هذه الدوائر على منع التقلبات في تيار الخرج الناتج عن الاضطرابات الجوية وتساهم في استقرار خرج الطاقة الإجمالي.
هاتان التقنيتان تجعلان من الممكن تحقيق توحيد الشعاع في ترتيب الإرسال بالكيلومترات-، وهو الأمر الذي كان صعبًا مع طرق تشكيل الشعاع التقليدية، كما تتيح تحقيق استقرار الإخراج في البيئات الخارجية. ونتيجة لذلك، من المتوقع أن يصبح من الممكن توفير إمدادات طاقة مستقرة للمواقع النائية مثل الجزر المعزولة والمناطق المتضررة من الكوارث-.
دور كل شركة
NTT: تصميم وتنفيذ بصريات النقل مثل تقنيات تشكيل الشعاع
MHI: تصميم وتنفيذ بصريات الكاشف الضوئي مثل لوحات الكاشف الضوئي والمتجانسات ودوائر التسوية
التطورات المستقبلية
تتيح هذه التقنية النقل الفعال والمستقر للطاقة عبر مسافات طويلة حتى في ظل الاضطرابات الجوية. في هذه التجربة، تم استخدام السيليكون كعنصر التحويل الكهروضوئي. ومع ذلك، من خلال استخدام الأجهزة الكهروضوئية المصممة خصيصًا لتتناسب مع الطول الموجي لضوء الليزر، يمكن توقع كفاءة أعلى في نقل الطاقة. بالإضافة إلى ذلك، فإن استخدام مصادر ضوء الليزر ذات الطاقة الإنتاجية الأعلى من شأنه أن يجعل من الممكن توفير كميات أكبر من الكهرباء.
ونتيجة لذلك، يمكن تحقيق توصيل مرن وسريع للطاقة في المناطق النائية مثل المناطق المنكوبة بالكوارث- والجزر النائية، حيث كان تركيب كابلات الطاقة أمرًا صعبًا تقليديًا. وبعيدًا عن التطبيقات الأرضية، يمكن أيضًا تصور مجموعة واسعة من حالات الاستخدام الجديدة بناءً على هذه التكنولوجيا (الشكل 7). ومن الجدير بالذكر أن الاتجاهية العالية والتباعد المنخفض لأشعة الليزر يسمحان بتصميم أجهزة استقبال مدمجة وخفيفة الوزن. وهذه ميزة كبيرة لمنصات الأجهزة المحمولة التي تواجه قيودًا صارمة في الوزن وسعة الحمولة.
على سبيل المثال، من خلال الجمع بين هذه التكنولوجيا وتقنيات توجيه الشعاع، يصبح من الممكن توصيل الطاقة لاسلكيًا إلى الطائرات بدون طيار أثناء الطيران. يؤدي هذا إلى تجنب القيود التشغيلية مثل الهبوط لاستبدال البطارية أو استخدام كابلات إمداد الطاقة المربوطة، مما يتيح التشغيل المستمر لمدة -طويلة والمسافة -الطويلة. يمكن لهذه القدرات أن تعزز مراقبة منطقة الكوارث-فضلًا عن ترحيل الاتصالات لمنطقة واسعة-في المناطق الجبلية أو البحرية، وهي تطبيقات كان من الصعب تحقيقها في السابق.
بالإضافة إلى ذلك، من المتوقع وجود تطبيقات محتملة في الفضاء، بما في ذلك توصيل الطاقة إلى المنصات المتنقلة مثل HAPS (محطة المنصات عالية الارتفاع) (Note5)، والتي تقع ضمن نطاق العلامة التجارية الفضائية لشركة NTT، NTT C89 (Note6). وبالنظر إلى المستقبل، يمكن تطبيق هذه التكنولوجيا لتشغيل مراكز البيانات الفضائية والمركبات القمرية، وكذلك أنظمة الطاقة الشمسية الفضائية التي تنتقل فيها الكهرباء من الأقمار الصناعية المستقرة بالنسبة إلى الأرض عبر الليزر. تمثل هذه التطبيقات مجالات ذات إمكانات قوية للتوسع في السوق.
ومن خلال التعاون بين NTT وMHI، حققنا تقنية نقل الطاقة اللاسلكية بالليزر الأكثر كفاءة في العالم في ظل ظروف تتأثر بشدة بالتقلبات الجوية. يمثل هذا الإنجاز خطوة مهمة نحو بناء أساس تكنولوجي مبتكر يمكنه تلبية مجموعة واسعة من الاحتياجات المجتمعية، بدءًا من الاستجابة للكوارث وحتى تطوير الفضاء.
