W erze intensywnego rozwoju technologicznego, jednym z największych wyzwań pozostaje efektywne i niezawodne dostarczanie energii do trudno dostępnych, odległych lub niebezpiecznych lokalizacji. Właśnie tutaj kluczową rolę może odegrać nowoczesna technologia przesyłu energii elektrycznej z wykorzystaniem fotoniki, czyli światła laserowego i światłowodów. Kanadyjscy naukowcy z University of Ottawa dokonali przełomu, opracowując nowatorskie konwertery mocy, które osiągają imponującą sprawność 53% i generują napięcie przekraczające 2 wolty. Ta innowacja otwiera drzwi do zasilania urządzeń na dużych dystansach z wykorzystaniem światłowodów i bezprzewodowo, co może mieć olbrzymi potencjał w zastosowaniach przemysłowych, telekomunikacyjnych, medycznych i kosmicznych.
Konwertery mocy w tradycyjnych instalacjach światłowodowych odbierają sygnały optyczne o określonej długości fali, następnie przekształcają je w sygnały elektryczne, które podlegają tzw. procedurze 3R (Re-
-amplification – wzmocnieniu, Re-shaping – kształtowaniu i Re-timing – odmierzaniu czasu) umożliwiającej regenerację sygnału. Po przetworzeniu sygnał elektryczny steruje laserem, który emituje odnowioną wiązkę światła o docelowej długości fali, dzięki czemu sygnał może bezbłędnie pokonać kolejne kilkadziesiąt kilometrów.
Przesyłanie energii elektrycznej światłem, zwane power-by-light (PBL), jest szczególnie atrakcyjne tam, gdzie kluczowa jest izolacja elektryczna oraz odporność na zakłócenia elektromagnetyczne. Dzieli się on na dwa główne typy: przesył przez światłowody oraz przesył bezprzewodowy (OWPT).
Ten pierwszy wykorzystuje wysokowydajne lasery i konwertery fotowoltaiczne oraz może integrować przesyłanie energii i danych, co znacząco podnosi funkcjonalność tego rozwiązania. W przeciwieństwie do
transmisji bezprzewodowej, która jest ograniczona m.in. wymogami bezpieczeństwa i wpływem atmosfery, transmisja światłowodowa gwarantuje stabilną i bezpieczną komunikację oraz zasilanie nawet w trudnych warunkach.
Tradycyjne systemy zasilania światłowodowego charakteryzują się na tyle dużym poziomem strat, że ich zastosowanie do przesyłania energii elektrycznej na duże odległości stawało pod znakiem zapytania. Aby temu przeciwdziałać, naukowcy kanadyjscy opracowali zaawansowany model tzw. wielozłączowych przetworników mocy fotonicznej, które działają na długościach fal podczerwonych charakterystycznych dla telekomunikacji. Kluczowa innowacja tego rozwiązania polega na układaniu w stos wielu złączy półprzewodnikowych p-n, które pochłaniają światło i konwertują je na energię elektryczną. Takie podejście pozwala na znaczące zwiększenie wydajności i wytwarzanie wyższych napięć – w przypadku najnowszego urządzenia ponad 2 V przy sprawności przekraczającej 53%. To ogromne osiągnięcie, oznaczające możliwość znacznego zwiększenia dystansu przesyłania energii i danych w stosunku do dotychczasowych rozwiązań. Dzięki temu możliwe stanie się zasilanie urządzeń w ekstremalnych miejscach, od infrastruktury energetycznej, przez czujniki pogodowe, po kamery obserwacyjne umieszczone w trudno dostępnych lokalizacjach.
Przesyłanie energii poprzez światło laserowe w światłowodach niesie ze sobą wiele zalet, zwłaszcza w miejscach, w których brakuje możliwości zastosowania tradycyjnych przewodów elektrycznych Zasilanie światłem zapewnia bowiem całkowitą izolację galwaniczną między źródłem a odbiornikiem energii, eliminując ryzyko iskrzenia i zakłóceń. Sygnał światłowodowy można również zabezpieczyć kwantowo przed wszelkimi cyberatakami.
Dzięki integracji przesyłania danych i energii jednocześnie, stosując różne długości fal, znacznie rośnie spektrum możliwych zastosowań — od monitorowania inteligentnych sieci energetycznych i zasilania czujników w miejscach narażonych na uderzenia piorunów, po eksplorację kosmosu, gdzie standardowe metody zasilania są wyjątkowo utrudnione.
W przemyśle technologia ta pozwoli na zasilanie czujników i kamer w trudnodostępnych lokalizacjach – na przykład wewnątrz urządzeń wrażliwych na pola elektryczne i magnetyczne, w kopalniach, zakładach chemicznych czy instalacjach podwodnych, gdzie tradycyjne przewody miedziane są często niemożliwe do użycia.
W medycynie konwertery mocy laserowej można będzie wykorzystać do zasilania urządzeń elektronicznych w trudno dostępnych, sterylnych środowiskach, minimalizując ryzyko awarii i eliminując konieczność stosowania potencjalnie niebezpiecznych baterii.
Z kolei technologia bezprzewodowej transmisji energii optycznej, znana jako OWPT (Optical Wireless Power Transfer), to jedna z najnowocześniejszych i najbardziej obiecujących form przesyłania energii poprzez przestrzeń. W odróżnieniu od transmisji przewodowej przez światłowody, OWPT pozwala na przekazywanie mocy i informacji bez fizycznego połączenia, co otwiera kolejne nowe możliwości zastosowań tam, gdzie prowadzenie przewodów jest niemożliwe, niepraktyczne albo niebezpieczne.
W systemie OWPT energia elektryczna jest najpierw przekształcana na światło laserowe przez nadajnik, który emituje silną, skupioną wiązkę o starannie dobranej długości fali, najczęściej z zakresu bliskiej podczerwieni (np. 1,3–1,6 μm). Wiązka ta propaguje bezpośrednio w powietrzu, kierowana na odbiornik wyposażony w ogniwo fotowoltaiczne lub zestaw fotodiod, które konwertują światło na energię elektryczną zdolną zasilić urządzenia końcowe.
Technologia OWPT zyskuje zwolenników w wielu obszarach: od zasilania dronów i bezzałogowych statków powietrznych w locie, przez napęd samolotów elektrycznych bez konieczności częstego lądowania, po obsługę inteligentnych sieci energetycznych, ładowanie urządzeń medycznych i monitorowanie trudno dostępnych instalacji przemysłowych.
Przykładowo drony zasilane bezprzewodowo będą mogły wykonać dłuższe autonomiczne loty z zaopatrzeniem medycznym, sprzętem ratowniczym lub informacyjnym, co jest szczególnie ważne podczas akcji ratunkowych w miejscach pozbawionych infrastruktury. W kontekście eksploracji kosmosu – gdzie zasilanie urządzeń jest jednym z najtrudniejszych wyzwań – przekazywanie energii za pomocą światła laserowego zaoferuje możliwość zasilania satelitów, łazików lub baz księżycowych bezpośrednio z Ziemi, bez stosowania ciężkich i zawodnych baterii lub paneli słonecznych. To jednak bardzo odległa przyszłość, dziś zdecydowanie bardziej wizja niż realna możliwość.
Dzięki właściwościom światła laserowego – dużej kierunkowości, skupieniu oraz monochromatyczności – transmisja jest bardzo efektywna energetycznie, a dodatkowo zabezpieczona przed przejęciem i zakłóceniami. Jednak system wymaga precyzyjnego ukierunkowania wiązki laserowej oraz zastosowania odpowiednich mechanizmów śledzenia ruchu odbiornika, by utrzymać maksymalną efektywność przesyłu.
Jak dotychczas najdłuższe potwierdzone bezprzewodowe zasilanie drona laserem zostało zrealizowane przez zespół naukowców z Northwestern Polytechnical University w Chinach i odbyło się na dystansie zaledwie kilkudziesięciu metrów. Objęło zbudowanie nowatorskich systemów śledzenia i korekcji wiązki, które pozwalają na efektywne i bezpieczne dostarczanie energii w czasie rzeczywistym. Równoległy rozwój układów optycznych, sterowania wiązką lasera i inteligentnych algorytmów śledzenia obiektu postępuje jednak bardzo szybko i każdy rok przynosi w tym zakresie spore przełomy.
Niewłaściwa lub przypadkowa ekspozycja na wiązkę laserową niesie niestety poważne zagrożenia dla zdrowia. Największym zagrożeniem dla ludzi i zwierząt jest możliwość uszkodzenia oczu. W przeciwieństwie do zwykłego światła, wiązka laserowa o tej samej mocy może być skupiona przez rogówkę i soczewkę oka na bardzo małym obszarze siatkówki, zwiększając intensywność promieniowania nawet o setki tysięcy razy. Tak duża dawka energii może doprowadzić do jej trwałych oparzeń, a w konsekwencji do częściowej lub całkowitej utraty wzroku. Co gorsza, nawet krótkotrwałe spojrzenie w wiązkę lasera wykorzystywanego w OWPT może spowodować uszkodzenia, które przez długi czas nie dadzą wyraźnych objawów, ale będą nieodwracalne.
Drugim istotnym zagrożeniem są oparzenia skóry. Chociaż skóra jest naturalnie bardziej odporna niż oczy, wysoka moc laserów może powodować bolesne i niebezpieczne uszkodzenia tkanek, zwłaszcza przy dłuższym narażeniu na działanie wiązki.
Dodatkowo, w systemach OWPT istnieje ryzyko uszkodzeń nie tylko przy bezpośrednim kontakcie z wiązką, ale także w wyniku odbić i rozpraszania światła od powierzchni, które mogą prowadzić do nieoczekiwanych ekspozycji osób postronnych lub zwierząt. Dlatego nawet osoby znajdujące się w pobliżu, ale poza główną linią wiązki, nie są całkowicie bezpieczne.
Współczesne projekty, takie jak amerykański program DARPA POWER (Persistent Optical Wireless Energy Relay), zakładają budowę rozległych sieci laserowych przekaźników energii na ziemi i w powietrzu, które mogłyby bezprzewodowo dostarczać duże moce na odległość nawet setek kilometrów. To rewolucjonizowałoby takie branże jak lotnictwo elektryczne, gdzie obecne bariery masy i zasięgu ze względu na stosowanie niewygodnych akumulatorów znacząco utrudniają rozwój. Pozbawienie samolotu akumulatorów rozwiązałoby wiele ograniczeń, tworząc jednocześnie nowe – co się stanie w przypadku braku bezprzewodowego zasilania? Tym niemniej OWPT mogłoby zapewnić praktycznie nieograniczone zasilanie dla dronów, satelitów, baz księżycowych czy odległych stacji pomiarowych. Pamiętajmy, że warunki na Księżycu różnią się znacznie od ziemskich – długie noce, sięgające 14 ziemskich dni, ekstremalne temperatury oraz odległości między poszczególnymi modułami bazy – systemy zasilania muszą być nie tylko wydajne, ale także elastyczne i odporne na zakłócenia.
Z kolei w dziedzinie laserów o wysokiej mocy nie sposób pominąć przełomu dokonanego w ośrodku Extreme Light Infrastructure (ELI) w Rumunii, gdzie po raz pierwszy wygenerowano impulsy laserowe o mocy szczytowej 10 petawatów (biliardów watów!), trwające mniej niż femtosekundę (biliardową część sekundy!). Technologia ta, oparta na nagrodzonej Noblem metodzie chirped pulse amplification, umożliwia uzyskanie niewiarygodnie intensywnych impulsów, które są kluczowe m.in. dla nowoczesnych akceleratorów cząstek, bardziej precyzyjnych terapii przeciwnowotworowych, produkcji izotopów medycznych czy przyszłych reaktorów fuzji jądrowej.
Lasery dużej mocy mogą zrewolucjonizować medycynę (terapia wiązką protonów, mniej inwazyjne zabiegi), przemysł (detekcja defektów materiałowych), a także energetykę (fuzja jądrowa) czy kosmonautykę (usuwanie kosmicznych śmieci).
Jednakże kluczowe pozostaje zwiększenie efektywności energetycznej samych laserów, co pozwoli w pełni wykorzystać ich potencjał. Jednak by te technologie mogły stać się powszechnie stosowane, konieczne jest dalsze zwiększanie efektywności i niezawodności laserów oraz konwerterów, optymalizacja kosztów produkcji i integracji z istniejącymi systemami. Na czele tych badań znajdują się projekty takie jak XCAN czy Heracles 3, prowadzone pod patronatem laureatów Nagrody Nobla.
Wykorzystanie światła laserowego do przesyłu energii elektrycznej stanowi przełomową technologię, która może poprawić wydajność oraz bezpieczeństwo systemów energetycznych, telekomunikacyjnych i przemysłowych. Kanadyjskie osiągnięcia w dziedzinie przetworników mocy fotonicznej oraz gigantyczne impulsy laserowe generowane w Europie pokazują, że potencjał tej technologii jest ogromny. Energia światła może stać się nie tylko nośnikiem informacji, ale także kompletnego zasilania urządzeń, zwłaszcza
tam, gdzie tradycyjne metody są niewystarczające lub niebezpieczne.
Technologia power-by-light otwiera drzwi do inteligentnych, energooszczędnych i odpornych sieci przyszłości, od zasilania układów inteligentnych miast, poprzez krytyczną infrastrukturę przemysłową, aż po dalszą eksplorację kosmosu. Światło, które całkiem niedawno stało się dla nas zbawiennym nośnikiem informacji w epoce globalnego Internetu, dziś jawi się również jako sposób na przesyłanie energii elektrycznej, stając się siłą napędową kolejnej rewolucji technologicznej.
Krzysztof Hajdrowski
