Vybitá batéria už nemusí poslať dron na zem. Vedci mu dokážu dodať energiu laserom s účinnosťou 38,49 %
Vedci vyvinuli systém, ktorý dokáže pomocou laserového lúča nabíjať dron počas letu. Technológia premieňa laser na elektrinu a môže predĺžiť výdrž dronov bez pristátia.
Batérie patria medzi najväčšie obmedzenia dnešných dronov. Keď stroj spotrebuje energiu, musí pristáť a počkať na výmenu alebo nabitie akumulátora. Vedci teraz prišli s technológiou, ktorá by tento problém mohla čiastočne obísť. Namiesto pristátia by dron mohol dostať novú energiu priamo počas letu, pomocou laserového lúča.
Výskumníci z Civil Aviation University of China predstavili v štúdii, publikovanej v Cell Press, systém, ktorý dokáže premeniť energiu zeleného lasera na elektrinu. Zaujímavé pritom nie je iba samotné bezdrôtové nabíjanie. Tím musel vyriešiť aj problém, ktorý vzniká vo chvíli, keď na malú súčiastku namieriš výkonný laser: začne sa výrazne zahrievať.
Ak by sa teplo hromadilo, účinnosť systému by klesla a zariadenie by mohlo utrpieť poškodenie. Vedci preto spojili niekoľko technológií a vytvorili prijímač, ktorý môže dostať energiu z lasera a zároveň lepšie pracovať s odpadovým teplom.
Dron, ktorý sa dokáže nabíjať počas letu
Základom nového systému je takzvané perovskitové laserové článko-termoelektrické tandemové zariadenie, skrátene PLC-TE. Názov znie komplikovane, princíp však ostáva pomerne jednoduchý. Prvá časť zariadenia funguje podobne ako solárny článok. Rozdiel spočíva v tom, že vedci ho optimalizovali na prijímanie energie z laserového lúča namiesto slnečného svetla. Keď laser dopadne na perovskitovú vrstvu, článok jeho energiu premení na elektrinu.
Druhá časť systému využíva teplo, ktoré pri tomto procese vznikne. Ide o termoelektrickú vrstvu, ktorá dokáže z rozdielu teplôt vytvoriť ďalšiu elektrickú energiu. Výkonný laser totiž dokáže malý prijímač poriadne rozpáliť. Keď vedci zariadenie vystavili silnému laserovému lúču, termokamera ukázala teplotu približne 80 až 90 stupňov Celzia.
Neprehliadni
Takéto teploty predstavujú problém nielen pre samotné súčiastky. Vyššia teplota zároveň znižuje účinnosť systému. Vedci preto museli nájsť spôsob, ako teplo udržať pod kontrolou. Výskumníci do zariadenia vložili špeciálne nanokryštály. Tie fungujú ako tepelná bariéra, ktorá spomaľuje prenos tepla cez systém. Vďaka tomu dokáže zariadenie lepšie udržať rozdiel medzi teplejšou a chladnejšou stranou termoelektrickej vrstvy.
Tento rozdiel je kľúčový, pretože čím väčší teplotný rozdiel termoelektrická časť dosiahne, tým viac elektriny dokáže vyrobiť. Pri použití zeleného laserového lúča systém premenil na elektrickú energiu 38,49 percenta dodanej energie. Podľa výskumníkov ide o jednu z najvyšších účinností, aké sa pri podobnej technológii za porovnateľných podmienok podarilo dosiahnuť.
Neznamená to, že drony dostanú neobmedzený dolet
Samotná účinnosť však ešte neznamená, že drony dostanú prakticky neobmedzený dolet. Laser musí mať dostatočný výkon a zároveň musí lúč presne zasiahnuť prijímač na pohybujúcom sa stroji. Práve to bude patriť medzi najťažšie úlohy ďalšieho vývoja. Vedci nechceli zostať iba pri laboratórnom teste. Zariadenie preto umiestnili na spodnú stranu krídla modelu dronu. Do krídla zároveň vytvorili vzduchové kanály. Keď vrtuľa vytvára prúd vzduchu, ten prechádza cez tieto kanály a pomáha odvádzať teplo z chladnejšej strany termoelektrickej vrstvy.
Následne na prijímač namierili zelený laser. Systém dokázal vyrobiť dostatok elektrickej energie na pohon vrtule modelu.
Tento detail je dôležitejší, než sa môže na prvý pohľad zdať. Výskumníci totiž nechcú vytvoriť iba účinný článok v laboratóriu. Potrebujú technológiu, ktorá sa zmestí na skutočný dron, zvládne vibrácie, pohyb a zmeny teploty a zároveň bude fungovať počas letu.
„Nejde iba o problém materiálovej vedy, ale aj o problém inžinierstva,“ vysvetlil Han.
Podľa neho sa tím musel pozrieť aj na to, ako zariadenie zabudovať do lietadla, ako ho počas prevádzky chladiť a ako zabezpečiť jeho fungovanie počas letu.
Skutočný dron ešte laser nenabíjal
Tu treba výskum trochu krotiť. Vedci zatiaľ nepredviedli dron, ktorý by počas skutočného letu prijímal energiu z lasera a vďaka tomu výrazne predĺžil svoju výdrž. Doterajší experiment predstavoval dôkaz konceptu. Prijímač sa síce dostal na model dronu a dokázal poháňať vrtuľu, no samotný model zostal na mieste.
Ďalší krok preto povedie k ľahkému dronu, ktorý technológia dostane priamo do vzduchu. Vedci budú musieť overiť, či prijímač zvládne reálne vonkajšie podmienky a či si udrží dostatočný výkon počas letu. Veľkou výzvou bude aj samotné nasmerovanie lasera. Dron sa vo vzduchu neustále pohybuje a laserový lúč musí zostať presne na prijímači. Pri väčšej vzdialenosti môže aj malá odchýlka znamenať, že lúč cieľ minie.
A potom je tu bezpečnosť. Výkonný laser namierený do vzduchu predstavuje riziko pre ľudí, zvieratá aj lietadlá. Budúci systém preto bude potrebovať veľmi presné sledovanie cieľa a mechanizmy, ktoré zabránia nebezpečnému nasmerovaniu lúča.
Drony by mohli zostať vo vzduchu dlhšie
Ak vedci tieto problémy vyriešia, laserové napájanie by mohlo nájsť využitie pri dronoch, ktoré potrebujú vykonávať dlhé misie. Výskumníci spomínajú napríklad kontrolu lesov, monitorovanie prírodných katastrof či doručovanie zásielok. Práve pri takýchto úlohách môže byť nutnosť pravidelného pristátia výraznou nevýhodou. Ak by dron dokázal počas letu pravidelne prijímať energiu z pozemného laserového zdroja, jeho misia by sa mohla predĺžiť.
„Naša práca ukazuje možnosť tankovania lietadiel pomocou svetla,“ povedal Han.
Od laboratórneho experimentu k praktickému systému však vedie ešte pomerne dlhá cesta. Vedci teraz potrebujú technológiu otestovať na skutočne lietajúcom drone a následne vyriešiť sledovanie pohybujúceho sa cieľa, bezpečnosť aj spoľahlivosť celého systému. Laserové nabíjanie preto zatiaľ neznamená, že drony hneď prestanú používať batérie, no ukazuje to zaujímavý spôsob, ako by sa v budúcnosti dala ich výdrž predĺžiť bez toho, aby museli zakaždým pristáť a čakať pri nabíjačke.
