Forscher verwenden Infrarotlicht, um Energie drahtlos über 30 Meter zu übertragen

Stellen Sie sich vor, Sie gehen in einen Flughafen oder ein Lebensmittelgeschäft und Ihr Smartphone beginnt automatisch mit dem Aufladen. Dies könnte eines Tages Realität werden, dank eines neuen drahtlosen Laser-Ladesystems, das einige der Herausforderungen überwindet, die frühere Versuche behindert haben, sichere und bequeme Ladesysteme für unterwegs zu entwickeln.

„Die Möglichkeit, Geräte drahtlos mit Strom zu versorgen, könnte das Herumtragen von Stromkabeln für unsere Telefone oder Tablets überflüssig machen“, sagte Jinyong Ha, Leiter des Forschungsteams von der Sejong-Universität in Südkorea. „Es könnte auch verschiedene Sensoren mit Strom versorgen, wie die in Geräten des Internet der Dinge (IoT) und Sensoren, die zur Überwachung von Prozessen in Fertigungsanlagen verwendet werden.“

Im Optik Express, beschreiben die Forscher ihr neues System, das mit Infrarotlicht hohe Leistungen sicher überträgt. Labortests zeigten, dass es 400 mW Lichtleistung über Entfernungen von bis zu 30 Metern übertragen kann. Diese Leistung reicht aus, um Sensoren zu laden, und könnte mit der Weiterentwicklung auf das Niveau erhöht werden, das zum Laden mobiler Geräte erforderlich ist.

Für die drahtlose Energieübertragung über große Entfernungen wurden mehrere Techniken untersucht. Es war jedoch schwierig, genügend Energie sicher über Distanzen auf Meterhöhe zu senden. Um diese Herausforderung zu bewältigen, optimierten die Forscher eine Methode namens Distributed Laser Charging, die in letzter Zeit für diese Anwendung mehr Aufmerksamkeit erregt hat, da sie eine sichere Hochleistungsbeleuchtung mit weniger Lichtverlust bietet.

„Während die meisten anderen Ansätze erfordern, dass sich das Empfangsgerät in einer speziellen Ladeschale befindet oder stationär ist, ermöglicht das verteilte Laserladen eine Selbstausrichtung ohne Tracking-Prozesse, solange sich Sender und Empfänger in Sichtlinie zueinander befinden“, sagte er Ha. „Es schaltet auch automatisch in einen sicheren Modus mit niedriger Energiezufuhr, wenn ein Objekt oder eine Person die Sichtlinie blockiert.“

Die Entfernung überbrücken

Das verteilte Laserladen funktioniert ähnlich wie ein herkömmlicher Laser, aber anstatt dass die optischen Komponenten des Laserhohlraums in einem Gerät integriert sind, sind sie in Sender und Empfänger getrennt. Wenn sich Sender und Empfänger in Sichtweite befinden, wird zwischen ihnen über der Luft – oder im freien Raum – ein Laserhohlraum gebildet, der es dem System ermöglicht, lichtbasierte Leistung zu liefern. Wenn ein Hindernis die Sichtlinie zwischen Sender und Empfänger unterbricht, schaltet das System automatisch in einen Stromsparmodus und erreicht so eine gefahrlose Stromversorgung in der Luft.

In dem neuen System verwendeten die Forscher eine mit Erbium dotierte optische Stromquelle mit Faserverstärker und einer zentralen Wellenlänge von 1550 nm. Dieser Wellenlängenbereich liegt im sichersten Bereich des Spektrums und stellt bei der verwendeten Leistung keine Gefahr für das menschliche Auge oder die Haut dar. Eine weitere Schlüsselkomponente war ein Wellenlängenmultiplexfilter, der einen schmalbandigen Strahl mit optischer Leistung innerhalb der Sicherheitsgrenzen für die Ausbreitung im freien Raum erzeugte.

„In die Empfängereinheit haben wir einen sphärischen Kugellinsen-Retroreflektor eingebaut, um eine 360-Grad-Sender-Empfänger-Ausrichtung zu erleichtern, was die Leistungsübertragungseffizienz maximiert“, sagte Ha. „Wir haben experimentell beobachtet, dass die Gesamtleistung des Systems vom Brechungsindex der Kugellinse abhängt, wobei ein Brechungsindex von 2,003 am effektivsten ist.“

Laboruntersuchungen

Um das System zu demonstrieren, richteten die Forscher einen Abstand von 30 Metern zwischen einem Sender und einem Empfänger ein. Der Sender bestand aus der optischen Quelle des Erbium-dotierten Faserverstärkers, und die Empfängereinheit umfasste einen Retroreflektor, eine Photovoltaikzelle, die das optische Signal in elektrische Energie umwandelt, und eine LED, die aufleuchtet, wenn Energie geliefert wird. Dieser etwa 10 mal 10 Millimeter kleine Empfänger ließe sich leicht in Geräte und Sensoren integrieren.

Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass ein drahtloses optisches Einkanal-Leistungsübertragungssystem eine optische Leistung von 400 mW mit einer Kanallinienbreite von 1 nm über eine Entfernung von 30 Metern liefern konnte. Die Photovoltaik wandelte diese in eine elektrische Leistung von 85 mW um. Die Forscher zeigten auch, dass das System automatisch in einen sicheren Energieübertragungsmodus wechselte, wenn die Sichtlinie durch eine menschliche Hand unterbrochen wurde. In diesem Modus erzeugte der Sender ein Licht mit unglaublich geringer Intensität, das für Menschen kein Risiko darstellte.

„Durch die Verwendung des Laserladesystems zum Ersetzen von Netzkabeln in Fabriken könnten Wartungs- und Austauschkosten eingespart werden“, sagte Ha. „Dies könnte besonders in rauen Umgebungen nützlich sein, in denen elektrische Verbindungen Störungen verursachen oder eine Brandgefahr darstellen können.“

Nachdem sie das System nun demonstriert haben, arbeiten die Forscher daran, es praktischer zu machen. So könnte beispielsweise der Wirkungsgrad der Photovoltaikzelle erhöht werden, um Licht besser in elektrische Energie umzuwandeln. Sie planen auch, eine Möglichkeit zu entwickeln, das System zum gleichzeitigen Laden mehrerer Empfänger zu verwenden.