Ученые из Китая представили материал, позволяющий заряжать дроны лазерным лучом прямо во время полета. Разработка основана на минерале перовските и наночастицах, состоящих из сурьмы и селена. Этот состав способен превращать излучение зеленого лазера в электрический ток.
Евгения Васильева
Иллюстративное фото. Источник: asiatimes.com
Зеленый лазерный луч преобразуется в электроэнергию
Специалисты из КНР создали новый тип материала на базе перовскитов и наночастиц из сурьмы и селена. Он отличается высокой эффективностью преобразования зеленого лазерного света в электроэнергию.
Благодаря высокому коэффициенту полезного действия фотоэлементов, изготовленных из этого материала, аккумуляторы беспилотников можно подзаряжать непосредственно во время их движения в воздухе. По сообщению ТАСС, результаты работы описаны в статье, опубликованной в журнале Matter & Light.
«Можно представить будущее, где дроны, занятые мониторингом лесных массивов, наблюдением за природными катаклизмами или доставкой грузов, никогда не будут вынуждены приземляться и простаивать для замены батарей. Наше изобретение устраняет одно из главных препятствий для работы таких летательных систем доставки на значительные расстояния», – отметил доцент Китайского университета гражданской авиации Хань Цзяньхуа.
В перспективе это изобретение может привести к созданию целых «энергетических коридоров» в небе. Представьте себе маршруты, где через каждые пять-десять километров установлены лазерные маяки.
Пролетая над таким маяком, дрон автоматически подзаряжает свои батареи, не снижая скорости и не меняя высоты. Такая инфраструктура в корне изменит рынок коммерческих БПЛА: стоимость эксплуатации снизится за счет отказа от частой замены дорогих аккумуляторов, а дальность действия перестанет быть ограничением.
Логистические компании смогут гарантировать доставку в самые отдаленные точки без остановки, а спасательные службы — использовать дроны для непрерывного поиска пропавших людей в сложной местности в течение нескольких суток подряд.
Главным барьером здесь становится не наука, а экономика и стандартизация — необходимость создания единой сети лазерных подстанций.
Конвертация света в электричество
По заявлению исследователей, за последнее десятилетие физики разработали множество эффективных солнечных батарей, способных конвертировать от 25 до 30 процентов солнечного света в электричество. Большинство таких устройств основано на материалах, структурно напоминающих перовскит. Этот минерал хорошо поглощает свет благодаря особому расположению кубов из атомов металлов и восьмигранников из атомов кислорода внутри его кристаллической решетки.
Китайские ученые обнаружили, что КПД этих фотоэлементов можно повысить до 38,5 процента, если объединить перовскитные солнечные батареи с созданным ими термоэлектрическим материалом на основе наночастиц сурьмы и селена. Такое сочетание решает одну из ключевых проблем подобных устройств: снижение эффективности преобразования света в электричество из-за перегрева.
Разработанный наноматериал поглощает тепло, которое образуется при взаимодействии света с фотоэлементом, и превращает его в электроэнергию. Кроме того, он способствует более равномерному нагреву устройства, что дополнительно увеличивает его КПД. Это позволяет использовать перовскитные батареи не только для сбора солнечной энергии, но и для получения электричества с помощью сфокусированных лазерных лучей.
Наконец, нельзя не отметить глобальный контекст данного открытия. Китайские ученые не просто улучшили КПД фотоэлементов, они создали гибридный материал, работающий одновременно и как солнечная батарея, и как термоэлектрический генератор.
Это означает, что дроны смогут подзаряжаться не только от специальных лазерных установок, но и от обычного солнечного света в дневное время, экономя энергию для ночных миссий. Такой универсализм делает разработку особенно ценной для автономных систем, работающих в отрыве от человека.
Со временем подобные материалы могут найти применение в космических аппаратах, где сочетание высокой энергоэффективности и терморегуляции является критическим фактором. По мнению ТАСС, текущее исследование из журнала Matter & Light — это лишь первый шаг к миру, где энергия передается на расстояние с такой же легкостью, как и данные, а дроны становятся практически вечными летунами.
Но есть сложности и вызовы
Однако инженерная реализация такой системы сопряжена с рядом сложностей. Главная задача — точное удержание лазерного луча на фотоэлементе движущегося дрона, особенно в условиях турбулентности или плохой погоды. Для этого потребуются высокоточные системы автотрекинга, способные отслеживать положение аппарата в пространстве с погрешностью в доли градуса.
Кроме того, плотность энергии лазера должна строго контролироваться, чтобы избежать перегрева не только самого фотоэлемента, но и корпуса дрона. Разработка китайских ученых, решающая проблему термоэлектрического отвода тепла, как раз и делает этот процесс безопасным и эффективным, позволяя лучу работать на предельных мощностях без деградации материала.
Не менее важным аспектом является совместимость с различными типами беспилотных систем. Поскольку прототип демонстрирует выработку 1,2 ватта на квадратный сантиметр, специалистам предстоит найти баланс между площадью приемной панели и аэродинамическими характеристиками аппарата.
Для небольших квадрокоптеров, используемых в доставке, может потребоваться панель размером с ладонь, что вполне реально. Для крупных дронов самолетного типа с большим размахом крыльев панель можно интегрировать в верхнюю плоскость, не создавая лишнего лобового сопротивления. Таким образом, технология масштабируема: от легких курьерских дронов до тяжелых сельскохозяйственных машин, обрабатывающих поля.
Перспективы новой технологии
Чтобы продемонстрировать возможности разработки, ученые установили прототип созданного фотоэлемента на модель беспилотника и попробовали зарядить его с помощью зеленого лазера. Эксперименты показали, что каждый квадратный сантиметр нового устройства вырабатывает около 1,2 ватта энергии.
Теоретически этого достаточно не только для поддержания полета, но и для подзарядки аккумуляторов БПЛА. В перспективе такая технология позволит быстро заряжать дроны, не требуя их посадки для смены батарей.
В перспективе это изобретение может привести к созданию целых «энергетических коридоров» в небе и . Представьте себе маршруты, где через каждые пять-десять километров установлены лазерные маяки. Пролетая над таким маяком, дрон автоматически подзаряжает свои батареи, не снижая скорости и не меняя высоты.
Такая инфраструктура в корне изменит рынок коммерческих БПЛА: стоимость эксплуатации снизится за счет отказа от частой замены дорогих аккумуляторов, а дальность действия перестанет быть ограничением.
Логистические компании смогут гарантировать доставку в самые отдаленные точки без остановки, а спасательные службы — использовать дроны для непрерывного поиска пропавших людей в сложной местности в течение нескольких суток подряд. Главным барьером здесь становится не наука, а экономика и стандартизация — необходимость создания единой сети лазерных подстанций.
С точки зрения практического внедрения, новая технология открывает принципиально иной подход к логистике и мониторингу. Если сегодня операторы дронов вынуждены планировать маршруты с учетом запаса хода и точек для замены аккумуляторов, то лазерная подзарядка в полете снимает эти ограничения.
Представьте себе протяженные линии электропередач, газопроводы или границы заповедников: беспилотник может патрулировать их часами, получая энергию от наземных лазерных станций, установленных через определенные интервалы.
Это не просто удобство, а смена парадигмы эксплуатации: аппарат становится фактически непрерывно действующим средством наблюдения, что критически важно для раннего обнаружения лесных пожаров, утечек газа, дефектов оборудования электросетей и трубопроводов или незаконной вырубки леса.
Ранее мы писали, что китайская сторона выдвинула инициативу по созданию на южном полюсе Луны энергетической вышки, оснащённой лазерным источником питания, для осуществления беспроводной передачи энергии луноходам, работающим на теневой стороне спутника.
Кстати, российская робототехника имеет шанс занять достойное место на мировом рынке, особенно в нишах, где требуется адаптация к экстремальным условиям или высокая степень интеграции с искусственным интеллектом. Ученые РФ создали дронам «мозги» и «руки» — полетный микрокомпьютер Brain Box и тросово-звеньевые манипуляторы.