Китайские исследователи достигли эффективности 38,49% при лазерной зарядке дронов в воздухе с помощью гибридного перовскитного и термоэлектрического приёмника
Проблема перегрева приёмника до 80–90 градусов Цельсия решена нанокристаллами и воздушными каналами в крыльях дрона
Гибридная система PLC-TE совмещает прямое преобразование лазерной энергии и утилизацию тепла для дополнительной генерации
Разработка представляет значимый шаг к непрерывному полёту дронов, хотя полевые испытания на открытом воздухе ещё не проводились
Сокращение или полное устранение времени зарядки дронов остаётся постоянной областью исследований — и некоторые достижения, например квантовые батареи, представленные ранее в этом году, демонстрируют большие перспективы. Специалисты из Гражданского авиационного университета Китая в сотрудничестве с университетом Цинхуа совершили значительный прорыв в лазерной беспроводной зарядке (OTA), создав приёмник, который преобразует энергию лазерного луча в электричество с эффективностью 38,49% — один из самых высоких показателей среди подобных устройств.
Источник изображения — tomshardware.com
Согласно исследованию, опубликованному в журнале Matter & Light, лёгкий приёмник собирает энергию лазерного луча, передаваемого с земли. Система построена на тандемном устройстве — перовскитной лазерной ячейке в паре с термоэлектрическим генератором (сокращённо PLC-TE), объединяющем два способа выработки электричества одновременно. Перовскитный слой напрямую превращает лазерный свет в электричество, а термоэлектрический слой под ним улавливает часть выделяющегося тепла и тоже превращает его в энергию: чем больше разница температур между «горячей» стороной, обращённой к лазеру, и холодной стороной, тем выше выходная мощность. В тестах под зелёным лазером с длиной волны 520 нм и плотностью мощности 1,2 Вт/см² приёмник показал напряжение холостого хода 2,52 В и плотность тока короткого замыкания 260,56 мА/см² — для сравнения, это выше рекордных 34%, которые Министерство энергетики США фиксирует для лучших перовскит-кремниевых тандемных солнечных элементов, и почти вдвое превышает около 20% эффективности у действующего лазерного приёмника энергии DARPA.
Источник изображения — tomshardware.com
Основная сложность заключалась в том, что интенсивные лазерные лучи нагревают приёмник до 80–90 градусов Цельсия, что снижает эффективность и может повредить сам летательный аппарат. «Это было намного выше, чем мы ожидали, и заставило нас осознать, что накопление тепла — гораздо более серьёзная проблема, чем мы себе представляли», — рассказал Цзяньхуа Хань, старший автор исследования.
Чтобы справиться с перегревом, команда добавила в приёмник нанокристаллы антимонида селена (Sb₂Se₃), встроенные в перовскитный слой CsPbBr₃. Поскольку нанокристаллы плохо проводят тепло, они работают как тепловой барьер, одновременно защищая перовскитный и термоэлектрический слои и улучшая кристаллическую структуру самого перовскита. Дополнительно инженеры проложили воздушные каналы в крыльях дрона: при вращении пропеллеров поток воздуха проходит через эти каналы и отводит избыточное тепло, поддерживая систему в охлаждённом состоянии уже во время полёта. Сочетание наноматериалов и такого аэродинамического охлаждения и обеспечило итоговую эффективность преобразования энергии в 38,49%.
Чтобы убедиться, что решение сработает не только в лаборатории, но и в реальном крыле, команда провела инженерные расчёты методом конечных элементов в пакете ANSYS. Моделирование подтвердило, что приёмник можно встроить в конструкцию крыла БПЛА так, чтобы одновременно поддерживать механику пропеллера и эффективный отвод тепла — то есть система задумана сразу как часть готового летательного аппарата, а не как отдельный лабораторный образец.
Технология адресована прежде всего беспилотникам, чьё время полёта сегодня жёстко ограничено ёмкостью аккумулятора: мониторингу посевов в сельском хозяйстве, инспекции лесов, мостов и другой инфраструктуры, поисково-спасательным операциям и другим задачам, где дрону приходится подолгу находиться в воздухе без возможности сесть на подзарядку.
Хотя система ещё не прошла испытания в открытых полевых условиях, сам по себе этот результат — значительный шаг на пути к практическому непрерывному полёту дронов. Как отметил Хань, путь «от 1 до 100» потребует решения сложных задач по слежению за целью и обеспечению безопасности луча, но нынешнее исследование закладывает важную отправную точку для будущего дронов и беспилотных летательных аппаратов в целом.
