TOKYO - 17 settembre, 2025 -NTT, Inc. (sede centrale: Chiyoda, Tokyo; Presidente e CEO: Akira Shimada; di seguito "NTT") e Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. (sede centrale: Chiyoda, Tokyo; Presidente e CEO: Eisaku Ito; di seguito "MHI") hanno condotto un esperimento di trasmissione di potenza wireless ottica utilizzando un raggio laser per trasmettere energia in modalità wireless a 1 chilometro di distanza. Irradiando un raggio laser con una potenza ottica di 1 kW, siamo riusciti a ricevere 152 W di energia elettrica a 1 chilometro di distanza. Ciò segna la massima efficienza al mondo di una trasmissione di potenza wireless ottica che utilizza un elemento di conversione fotoelettrico al silicio (Nota 2) in un ambiente con forte turbolenza atmosferica.
Questo risultato dimostra la fattibilità di fornire energia a siti distanti. In futuro, si prevede che verrà applicato alla-trasmissione di energia su richiesta verso isole remote e aree colpite da disastri-dove i cavi elettrici non possono essere installati.
Questo risultato è stato pubblicato sulla rivista britannica Electronics Letters il 5 agosto 2025.
Sfondo
Negli ultimi anni, le tecnologie di trasmissione wireless di energia per dispositivi come smartphone, dispositivi indossabili, droni e veicoli elettrici, che possono fornire elettricità senza utilizzare cavi, hanno attirato crescente attenzione. Esistono due tipi di sistemi di trasmissione di energia senza fili: uno utilizza le microonde e l'altro utilizza i raggi laser. La trasmissione di potenza senza fili a microonde è già di uso pratico e il suo utilizzo è in espansione. D'altra parte, la trasmissione di potenza wireless ottica tramite raggio laser non è stata messa in pratica, ma si prevede che realizzerà una trasmissione di potenza wireless compatta a lunga-distanza dell'ordine di chilometri sfruttando l'elevata direttività del raggio laser (Figura 1).
Le prospettive future prevedono lo sviluppo di infrastrutture di prossima-generazione in grado di fornire energia ed espandere la copertura delle comunicazioni in situazioni e regioni in cui l'elettricità o le reti di comunicazione non sono disponibili, come durante i disastri, nelle isole remote, nelle aree montuose o in mare. Ciò include la fornitura di energia precisamente ad aree specifiche o piattaforme mobili come i droni. Per ottenere un'erogazione di potenza così accurata e a lunga distanza-è necessaria una trasmissione di potenza wireless basata sul laser-che sfrutti la sua forte direzionalità.
Sfide delle tecnologie esistenti e risultati di questo esperimento
L'efficienza della tecnologia di trasmissione di potenza wireless ottica è generalmente bassa e il miglioramento dell'efficienza è un problema per l'uso pratico. Uno dei motivi di ciò è che quando il raggio laser a lunga-distanza si propaga, soprattutto nell'atmosfera, la distribuzione dell'intensità diventa non uniforme e l'efficienza di conversione del raggio laser in energia elettrica nell'elemento di conversione fotoelettrico diventa bassa.
In questo esperimento, abbiamo combinato la tecnologia di modellazione del fascio di NTT con la tecnologia di ricezione della luce di MHI per migliorare l'efficienza della trasmissione di potenza wireless del laser. Abbiamo condotto un esperimento di trasmissione di potenza wireless ottica a lunga-distanza in un ambiente esterno utilizzando una tecnologia di modellatura del fascio piatto a lunga-distanza che modella il fascio sul lato di trasmissione per ottenere un'intensità uniforme del fascio dopo una propagazione di 1 chilometro e una tecnologia di livellamento della corrente in uscita che sopprime l'influenza delle fluttuazioni atmosferiche con un omogeneizzatore e circuiti di livellamento sul lato ricevente.
Da gennaio a febbraio 2025, abbiamo condotto un esperimento di trasmissione di potenza wireless ottica sulla pista dell'aeroporto di Nanki-Shirahama nella città di Shirahama, distretto di Nishimuro, prefettura di Wakayama (Figura 2). Una cabina di trasmissione dotata di un sistema ottico per l'emissione di raggi laser è stata installata a un'estremità della pista e una cabina di ricezione contenente un pannello di ricezione della luce-è stata posizionata a 1 chilometro di distanza.
Durante la trasmissione, l'asse ottico del laser è stato impostato ad un'altezza ridotta di circa 1 metro dal suolo e allineato orizzontalmente. Di conseguenza, la trave è stata fortemente influenzata dal riscaldamento del suolo e dal vento e l’esperimento è stato condotto in condizioni di forte turbolenza atmosferica.
All'interno della cabina di trasmissione è stato generato un raggio laser con potenza ottica di 1035 W. Utilizzando un elemento ottico diffrattivo (DOE) (Nota 3), il fascio è stato modellato per creare una distribuzione uniforme dell'intensità a una distanza di 1 chilometro. Inoltre, è stato utilizzato uno specchio di orientamento del raggio per dirigere con precisione il raggio sagomato verso il pannello ricevente. Il raggio è uscito dall'apertura della cabina di trasmissione e si è propagato attraverso 1 chilometro di spazio aperto, raggiungendo infine la cabina di ricezione.
Durante la propagazione, la turbolenza atmosferica ha causato fluttuazioni nell'intensità del raggio, creando punti caldi. Questi venivano diffusi da un omogeneizzatore nella cabina di ricezione, determinando l'irradiazione di un fascio uniforme sul pannello ricevente. Il raggio laser è stato quindi convertito in modo efficiente in energia elettrica (Figura 3). Per il pannello ricevente è stato adottato un elemento di conversione fotoelettrico a base di silicio-, tenendo conto sia del costo che della disponibilità.
In questo esperimento, la potenza elettrica media estratta dal pannello ricevente è stata di 152 W (Figura 4), corrispondente a un'efficienza di trasmissione della potenza wireless del 15%, definita come il rapporto tra la potenza elettrica ricevuta e la potenza ottica trasmessa. Questo risultato segna l'efficienza di trasmissione di potenza wireless ottica più alta al mondo mai dimostrata utilizzando un elemento di conversione fotoelettrico a base di silicio-in condizioni di forte turbolenza atmosferica. Inoltre, l'erogazione continua di potenza è stata mantenuta con successo per 30 minuti, confermando la fattibilità della trasmissione di potenza a lunga-durata utilizzando questa tecnologia.
Nota: dal punto di vista della sicurezza, il sistema di trasmissione ottica e il pannello ricevente sono stati installati ciascuno all'interno delle cabine per impedire l'esposizione accidentale a raggi laser ad alta-potenza e la dispersione della luce riflessa.
Highlight tecnici
Tecnologia di modellatura del fascio piatto a lunga distanza
Per migliorare l'efficienza della conversione fotoelettrica è necessario rendere uniforme la distribuzione dell'intensità del fascio incidente sull'elemento di conversione fotoelettrica.
In questo studio, abbiamo proposto un metodo di modellazione del fascio che consente l'uniformità dell'intensità dopo la propagazione a lunga-distanza. In questo approccio, la parte esterna del raggio viene trasformata in un motivo a forma di anello- utilizzando l'effetto di una lente axicon(Nota4). La parte centrale del fascio è modulata in fase-per espandersi attraverso l'effetto di una lente concava. Man mano che il raggio si propaga, il raggio a forma di anello- e il raggio centrale espanso si sovrappongono gradualmente, determinando una distribuzione uniforme dell'intensità nella posizione target, come mostrato nella Figura 5.
Per l'esperimento, abbiamo ottimizzato la progettazione del fascio per ottenere il profilo di intensità desiderato a una distanza di 1 chilometro. La modellazione del fascio è stata implementata utilizzando un elemento ottico diffrattivo, che ha migliorato l'uniformità dell'intensità del fascio nella posizione target situata a 1 chilometro di distanza.
Tecnologia di livellamento della corrente di uscita
Mentre il raggio laser si propaga attraverso l'atmosfera, viene influenzato dalla turbolenza atmosferica, che disturba la distribuzione dell'intensità. Sebbene la tecnica di modellazione del fascio piatto-descritta sopra possa uniformare la distribuzione dell'intensità, una forte turbolenza può comunque causare la formazione di punti ad alta-intensità, come mostrato nella Figura 6.
Per risolvere questo problema, abbiamo posizionato un omogeneizzatore del fascio davanti al-pannello di ricezione della luce. L'omogeneizzatore diffonde spot ad alta-intensità in modo che il fascio venga irradiato uniformemente sul pannello. Inoltre, i circuiti di livellamento erano collegati a ciascun elemento di conversione fotoelettrica sul pannello ricevente. Questi circuiti aiutano a sopprimere le fluttuazioni della corrente di uscita causate dalla turbolenza atmosferica e contribuiscono a stabilizzare la potenza complessiva.
Queste due tecnologie consentono di ottenere l'uniformità del fascio nella trasmissione dell'ordine dei chilometri-, cosa difficile con i metodi convenzionali di modellazione del fascio, e di stabilizzare l'output in ambienti esterni. Di conseguenza, si prevede che la fornitura di energia elettrica stabile a località remote come isole isolate e aree colpite da disastri-diventerà fattibile.
Ruolo di ciascuna azienda
NTT: Progettazione e realizzazione di ottiche di trasmissione quali tecniche di beam shaping
MHI: progettazione e implementazione di ottiche di fotorilevazione come pannelli fotorivelatori, omogeneizzatori e circuiti di livellamento
Sviluppi futuri
Questa tecnologia consente la trasmissione efficiente e stabile di energia su lunghe distanze anche in condizioni di turbolenza atmosferica. In questo esperimento, come elemento di conversione fotovoltaica è stato utilizzato il silicio. Tuttavia, impiegando dispositivi fotovoltaici appositamente progettati per adattarsi alla lunghezza d'onda della luce laser, ci si può aspettare un'efficienza di trasferimento di potenza ancora più elevata. Inoltre, l’utilizzo di sorgenti luminose laser con una maggiore potenza di uscita consentirebbe di fornire maggiori quantità di elettricità.
Di conseguenza, è possibile ottenere una fornitura di energia flessibile e rapida in aree remote come regioni colpite da disastri-e isole remote, dove l'installazione dei cavi elettrici è stata tradizionalmente difficile. Oltre alle applicazioni terrestri, è possibile prevedere un’ampia gamma di nuovi casi d’uso basati su questa tecnologia (Figura 7). In particolare, l'elevata direttività e la bassa divergenza dei raggi laser consentono la progettazione di dispositivi riceventi compatti e leggeri. Questo è un grande vantaggio per le piattaforme mobili che devono affrontare rigide limitazioni in termini di peso e capacità di carico utile.
Ad esempio, combinando questa tecnologia con le tecniche di orientamento del raggio, diventa possibile fornire energia in modalità wireless ai droni in volo. Ciò evita vincoli operativi come l'atterraggio per la sostituzione della batteria o l'uso di cavi di alimentazione fissati, consentendo un funzionamento continuo di lunga-durata e a lunga-distanza. Tali funzionalità possono migliorare il monitoraggio-delle aree colpite dal disastro nonché la comunicazione-su un'ampia area nelle regioni montane o marittime, applicazioni che in precedenza erano difficili da realizzare.
Inoltre, si prevedono potenziali applicazioni nello spazio, inclusa la fornitura di energia a piattaforme mobili come HAPS (High Altitude Platform Station)(Nota5), che rientra nell'ambito del marchio spaziale di NTT, NTT C89(Nota6). Guardando più avanti, la tecnologia potrebbe essere applicata per alimentare data center spaziali e rover lunari, nonché a sistemi di energia solare spaziale in cui l’elettricità viene trasmessa dai satelliti geostazionari alla terra tramite laser. Queste applicazioni rappresentano aree con un forte potenziale di espansione del mercato.
Attraverso la collaborazione tra NTT e MHI, abbiamo realizzato la tecnologia di trasferimento di potenza wireless laser più efficiente al mondo in condizioni fortemente influenzate dalle fluttuazioni atmosferiche. Questo risultato rappresenta un passo significativo verso la costruzione di una base tecnologica innovativa in grado di soddisfare un’ampia gamma di esigenze sociali, dalla risposta ai disastri allo sviluppo spaziale.
