TÓQUIO - 17 de setembro de 2025 -(Sede: Chiyoda, Tóquio; Presidente e CEO: Akira Shimada; doravante "NTT") e Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. (Sede: Chiyoda, Tóquio; Presidente e CEO: Eisaku Ito; doravante "MHI") conduziram um experimento de transmissão de energia óptica sem fio usando feixe de laser para transmitir energia sem fio a 1 quilômetro de distância. Ao irradiar um feixe de laser com potência óptica de 1 kW, conseguimos receber 152 W de energia elétrica a 1 quilômetro de distância. Isso marca a maior eficiência mundial de transmissão de energia óptica sem fio usando um elemento de conversão fotoelétrica de silício (Nota 2) em um ambiente com forte turbulência atmosférica.
Este resultado demonstra a viabilidade de fornecer energia a locais distantes. No futuro, espera-se que ele seja aplicado à transmissão de energia sob-demanda para ilhas remotas e áreas afetadas-por desastres onde os cabos de energia não podem ser instalados.
Esta conquista foi publicada na revista britânica Electronics Letters em 5 de agosto de 2025.
Fundo
Nos últimos anos, as tecnologias de transmissão de energia sem fio para dispositivos como smartphones, dispositivos vestíveis, drones e veículos elétricos, que podem fornecer eletricidade sem o uso de cabos, têm atraído cada vez mais atenção. Existem dois tipos de sistemas de transmissão de energia sem fio: um utiliza microondas e o outro utiliza raios laser. A transmissão de energia sem fio por microondas já está em uso prático e seu uso está se expandindo. Por outro lado, a transmissão óptica de energia sem fio usando feixe de laser não foi colocada em uso prático, mas espera-se que realize transmissão de energia sem fio compacta de longa distância na ordem de quilômetros, aproveitando a alta diretividade do feixe de laser (Figura 1).
As perspectivas futuras prevêem o desenvolvimento de infraestruturas de próxima{0}}geração capazes de fornecer energia e expandir a cobertura de comunicação em situações e regiões onde a electricidade ou as redes de comunicação não estão disponíveis, como durante desastres, em ilhas remotas, áreas montanhosas ou no mar. Isto inclui fornecer energia precisamente para áreas específicas ou plataformas móveis, como drones. Alcançar um fornecimento de energia altamente preciso e de longa distância-requer transmissão de energia sem fio-baseada em laser que aproveite sua forte direcionalidade.
Desafios das tecnologias existentes e conquistas deste experimento
A eficiência da tecnologia de transmissão de energia óptica sem fio é geralmente baixa e a melhoria da eficiência é um problema para uso prático. Uma das razões para isso é que quando o feixe de laser de longa distância se propaga, especialmente na atmosfera, a distribuição de intensidade torna-se desigual e a eficiência da conversão do feixe de laser em energia elétrica no elemento de conversão fotoelétrica torna-se baixa.
Neste experimento, combinamos a tecnologia de modelagem de feixe da NTT com a tecnologia de recepção de luz da MHI para melhorar a eficiência da transmissão de energia sem fio do laser. Conduzimos um experimento de transmissão de energia óptica sem fio de longa-distância em um ambiente externo usando tecnologia de modelagem de feixe plano de longa-distância que molda o feixe no lado da transmissão para obter intensidade de feixe uniforme após 1 quilômetro de propagação e tecnologia de nivelamento de corrente de saída que suprime a influência das flutuações atmosféricas com um homogeneizador e circuitos de nivelamento no lado receptor.
De janeiro a fevereiro de 2025, conduzimos um experimento de transmissão de energia óptica sem fio na pista do aeroporto Nanki-Shirahama, na cidade de Shirahama, distrito de Nishimuro, província de Wakayama (Figura 2). Uma cabine de transmissão equipada com sistema óptico de emissão de feixe de laser foi instalada em uma extremidade da pista e uma cabine de recepção contendo um painel receptor de luz-foi colocada a 1 quilômetro de distância.
Durante a transmissão, o eixo óptico do laser foi colocado a uma altura baixa de aproximadamente 1 metro acima do solo e alinhado horizontalmente. Como resultado, o feixe foi fortemente afetado pelo aquecimento do solo e pelo vento, e o experimento foi conduzido em condições de forte turbulência atmosférica.
Dentro da cabine de transmissão foi gerado um feixe de laser com potência óptica de 1035 W. Utilizando um elemento óptico difrativo (DOE) (Nota 3), o feixe foi moldado para criar uma distribuição de intensidade uniforme a uma distância de 1 quilômetro. Além disso, um espelho de direção do feixe foi usado para direcionar com precisão o feixe moldado em direção ao painel receptor. O feixe saiu pela abertura da cabine de transmissão e se propagou por 1 quilômetro de espaço aberto, chegando finalmente à cabine de recepção.
Durante a propagação, a turbulência atmosférica causou flutuações na intensidade do feixe, criando pontos quentes. Estes foram difundidos por um homogeneizador na cabine de recepção, resultando na irradiação de um feixe uniforme sobre o painel receptor. O feixe de laser foi então convertido eficientemente em energia elétrica (Figura 3). Um elemento de conversão fotoelétrica à base de silício foi adotado para o painel receptor, levando em consideração custo e disponibilidade.
Neste experimento, a potência elétrica média extraída do painel receptor foi de 152 W (Figura 4), correspondendo a uma eficiência de transmissão de energia sem fio de 15%, definida como a razão entre a potência elétrica recebida e a potência óptica transmitida. Este resultado marca a maior eficiência de transmissão de energia óptica sem fio já demonstrada usando um elemento de conversão fotoelétrica à base de silício sob condições de forte turbulência atmosférica. Além disso, o fornecimento contínuo de energia foi mantido com sucesso por 30 minutos, confirmando a viabilidade da transmissão de energia de longa-duração usando esta tecnologia.
Observação:Do ponto de vista da segurança, o sistema de transmissão óptica e o painel receptor foram instalados dentro das cabines para evitar a exposição acidental a feixes de laser de alta-potência e a dispersão da luz refletida.
Destaques técnicos
Tecnologia-de modelagem de feixe plano de longa distância
Para melhorar a eficiência da conversão fotoelétrica, é necessário uniformizar a distribuição da intensidade do feixe incidente no elemento de conversão fotoelétrica.
Neste estudo, propusemos um método de modelagem de feixe que permite uniformidade de intensidade após propagação-de longa distância. Nesta abordagem, a parte externa do feixe é transformada em um padrão em forma de anel-usando o efeito de uma lente axicon (Nota 4). A parte central do feixe é modulada em fase-para se expandir através do efeito de uma lente côncava. À medida que o feixe se propaga, o feixe-em forma de anel e o feixe central expandido se sobrepõem gradualmente, resultando em uma distribuição de intensidade uniforme no local alvo, conforme mostrado na Figura 5.
Para o experimento, otimizamos o desenho do feixe para atingir o perfil de intensidade desejado a uma distância de 1 quilômetro. A modelagem do feixe foi implementada utilizando um elemento óptico difrativo, que melhorou a uniformidade da intensidade do feixe na posição alvo localizada a 1 quilômetro de distância.
Tecnologia de nivelamento de corrente de saída
À medida que o feixe de laser se propaga pela atmosfera, ele é afetado pela turbulência atmosférica, que perturba a distribuição de intensidade. Embora a técnica-de modelagem de feixe plano descrita acima possa uniformizar a distribuição de intensidade, a turbulência forte ainda pode causar a formação de pontos-de alta intensidade, como mostrado na Figura 6.
Para resolver esse problema, colocamos um homogeneizador de feixe na frente do painel-de recepção de luz. O homogeneizador difunde pontos de alta-intensidade para que o feixe seja irradiado uniformemente no painel. Além disso, circuitos de nivelamento foram conectados a cada elemento de conversão fotoelétrica no painel receptor. Esses circuitos ajudam a suprimir flutuações na corrente de saída causadas pela turbulência atmosférica e contribuem para estabilizar a potência geral.
Essas duas tecnologias possibilitam alcançar a uniformidade do feixe na transmissão da ordem de quilômetros, o que era difícil com métodos convencionais de modelagem de feixe, e estabilizar a saída em ambientes externos. Como resultado, espera-se que o fornecimento estável de energia para locais remotos, como ilhas isoladas e áreas afetadas-por desastres, se torne viável.
Papel de cada empresa
NTT: Projeto e implementação de óptica de transmissão, como técnicas de modelagem de feixe
MHI: Projeto e implementação de óptica de fotodetectores, como painéis fotodetectores, homogeneizadores e circuitos de nivelamento
Desenvolvimentos futuros
Esta tecnologia permite a transmissão eficiente e estável de energia em longas distâncias, mesmo sob turbulência atmosférica. Neste experimento, o silício foi utilizado como elemento de conversão fotovoltaica. No entanto, ao empregar dispositivos fotovoltaicos especificamente concebidos para corresponder ao comprimento de onda da luz laser, pode-se esperar uma eficiência de transferência de energia ainda maior. Além disso, a utilização de fontes de luz laser com maior potência de saída tornaria possível fornecer maiores quantidades de eletricidade.
Como resultado, o fornecimento de energia rápido e flexível pode ser alcançado em áreas remotas, como regiões-atingidas por desastres e ilhas remotas, onde a instalação de cabos de energia tem sido tradicionalmente difícil. Além das aplicações terrestres, também pode ser prevista uma vasta gama de novos casos de utilização com base nesta tecnologia (Figura 7). Notavelmente, a alta diretividade e a baixa divergência dos feixes de laser permitem o projeto de dispositivos receptores compactos e leves. Esta é uma grande vantagem para plataformas móveis que enfrentam limitações estritas de peso e capacidade de carga útil.
Por exemplo, ao combinar esta tecnologia com técnicas de direcionamento de feixe, torna-se possível fornecer energia sem fio aos drones em voo. Isso evita restrições operacionais, como pouso para substituição de bateria ou uso de cabos de alimentação conectados, permitindo operação contínua de longa-duração e longa{2}}distância. Esses recursos podem aprimorar o monitoramento de-áreas de desastres, bem como a retransmissão de comunicação-de áreas amplas em regiões montanhosas ou marítimas, aplicações que antes eram difíceis de realizar.
Além disso, são previstas aplicações potenciais no espaço, incluindo o fornecimento de energia para plataformas móveis como a HAPS (High Altitude Platform Station)(Nota5), que se enquadra no âmbito da marca espacial da NTT, NTT C89(Nota6). Olhando mais adiante, a tecnologia poderia ser aplicada para alimentar centros de dados espaciais e veículos lunares, bem como para sistemas espaciais de energia solar nos quais a eletricidade é transmitida de satélites geoestacionários para o solo via laser. Estas aplicações representam áreas com forte potencial de expansão de mercado.
Através da colaboração entre a NTT e a MHI, implementamos a tecnologia de transferência de energia sem fio a laser mais eficiente do mundo, sob condições fortemente afetadas pelas flutuações atmosféricas. Esta conquista representa um passo significativo na construção de uma base tecnológica inovadora que possa satisfazer uma vasta gama de necessidades sociais, desde a resposta a catástrofes até ao desenvolvimento espacial.
