Φανταστείτε πως περπατάτε σε ένα αεροδρόμιο ή σε ένα παντοπωλείο και το κινητό σας ξεκινά να φορτίζει αυτόματα. Αυτό μια μέρα θα μπορούσε να αποτελεί πραγματικότητα, χάρη σε ένα νέο ασύρματο σύστημα φόρτισης μέσω λέιζερ, το οποίο ξεπερνά ορισμένες από τις προκλήσεις που εμπόδισαν τις προηγούμενες προσπάθειες ανάπτυξης ασφαλών και πρακτικών συστημάτων ασύρματης αυτόματης φόρτισης.
«Η δυνατότητα ασύρματης τροφοδοσίας συσκευών θα μπορούσε να εξαλείψει την ανάγκη μεταφοράς καλωδίων τροφοδοσίας για τα τηλέφωνα ή τα tablet μας», δηλώνει ο επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας Jinyong Ha από το Πανεπιστήμιο Sejong στη Νότια Κορέα. «Θα μπορούσε επίσης να τροφοδοτήσει διάφορους αισθητήρες, όπως είναι αυτοί που βρίσκονται σε συσκευές “Internet of Things” (IoT) ή αισθητήρες που χρησιμοποιούνται για την παρακολούθηση διαδικασιών σε εργοστάσια παραγωγής.»
Οι ερευνητές περιγράφουν στο περιοδικό “Optics Express” το νέο τους σύστημα, το οποίο χρησιμοποιεί υπέρυθρο φως για να μεταφέρει με ασφάλεια υψηλά επίπεδα ισχύος. Εργαστηριακές δοκιμές έδειξαν ότι μπορεί να μεταφέρει ισχύ φωτός 400 mW σε αποστάσεις έως και 30 μέτρων. Η ισχύς αυτή είναι επαρκής για τη φόρτιση αισθητήρων και με περαιτέρω ανάπτυξη, θα μπορούσε να αυξηθεί σε επίπεδα που είναι απαραίτητα για τη φόρτιση κινητών συσκευών.
Είναι αρκετές οι τεχνικές που έχουν μελετηθεί για την επίτευξη ασύρματης μεταφοράς ισχύος μεγάλης εμβέλειας. Κατέστη δύσκολη, ωστόσο, η με ασφάλεια αποστολή αρκετής ενέργειας σε αποστάσεις της τάξης μεγέθους του μέτρου. Για να ξεπεράσουν αυτή την πρόκληση, οι ερευνητές βελτιστοποίησαν μια μέθοδο που ονομάζεται “Distributed laser charging” (κατανεμημένη φόρτιση λέιζερ), η οποία τελευταίως έχει τραβήξει την προσοχή, καθώς παρέχει ασφαλή φωτισμό υψηλής ισχύος με λιγότερες απώλειες φωτός.
«Ενώ οι περισσότερες από τις άλλες προσεγγίσεις απαιτούν η συσκευή λήψης να βρίσκεται σε ειδική βάση φόρτισης ή να είναι σταθερή, η κατανεμημένη φόρτιση λέιζερ επιτρέπει την αυτο-ευθυγράμμιση χωρίς διαδικασίες ανίχνευσης/παρακολούθησης, εφόσον ο πομπός και ο δέκτης βρίσκονται σε οπτική επαφή μεταξύ τους», λέει ο Ha. «Επιπλέον, εάν παρεμβληθεί μεταξύ πομπού και δέκτη ένα αντικείμενο ή ένα άτομο, τότε το σύστημα μπαίνει αυτόματα σε ασφαλή λειτουργία παροχής χαμηλής ισχύος.»
Διανύοντας την απόσταση
Η κατανεμημένη φόρτιση λέιζερ λειτουργεί περίπου όπως ένα κλασικό λέιζερ, όμως τα οπτικά στοιχεία της κοιλότητας του λέιζερ (optical cavity) δεν βρίσκονται μαζί, ενσωματωμένα σε μία συσκευή αλλά, αντίθετα, διαχωρίζονται σε έναν πομπό και σε έναν δέκτη. Όταν ο πομπός και ο δέκτης βρίσκονται σε οπτική επαφή, τότε μέσα στον αέρα -ή άδειο χώρο- σχηματίζεται μεταξύ τους μια οπτική κοιλότητα λέιζερ, η οποία επιτρέπει στο σύστημα να παρέχει ισχύ με βάση το φως. Εάν ένα εμπόδιο κόψει την οπτική επαφή πομπού-δέκτη, το σύστημα μεταβαίνει αυτόματα σε κατάσταση ασφαλούς λειτουργίας, επιτυγχάνοντας έτσι ασύρματη παροχή ρεύματος χωρίς κίνδυνο.
Οι ερευνητές, για νέο σύστημα, χρησιμοποίησαν μια οπτικού ενισχυτή-Ίνας πρόσμιξης έρβιου (Erbium-Doped Fiber-optical Amplifier – EDFA) πηγή οπτικής ισχύος με κεντρικό μήκος κύματος τα 1550 nm. Αυτή η περιοχή συχνοτήτων είναι η ασφαλέστερη του φάσματος και -σε αυτά τα επίπεδα ισχύος- δεν αποτελεί κίνδυνο για τα ανθρώπινα μάτια ή το δέρμα. Εξάρτημα-κλειδί, επίσης, ήταν ένα πολυπεκτικό φίλτρο διαίρεσης μηκών κύματος, το οποίο δημιούργησε μια στενού εύρους δέσμη με οπτική ισχύ εντός των ορίων ασφαλείας για ασύρματη διάδοση.
«Στη μονάδα του δέκτη, ενσωματώσαμε έναν οπισθοανακλαστήρα σφαιρικού φακού για να διευκολύνουμε την 360 μοιρών ευθυγράμμιση πομπού-δέκτη, γεγονός που μεγιστοποίησε την απόδοση μεταφοράς ισχύος», δηλώνει ο Ha. «Παρατηρήσαμε πειραματικά ότι η συνολική απόδοση του συστήματος εξαρτάται από τον δείκτη διάθλασης του σφαιρικού φακού, με τον δείκτη διάθλασης 2.003 να είναι ο πιο αποτελεσματικός».
Εργαστηριακός έλεγχος
Για να επιβεβαιώσουν την λειτουργία του συστήματος, οι ερευνητές τοποθέτησαν έναν πομπό και έναν δέκτη έτσι, ώστε η μεταξύ τους απόσταση να είναι 30 μέτρα. Ο πομπός κατασκευάστηκε από μία EDFA πηγή οπτικής ισχύος ενώ η μονάδα του δέκτη περιλάμβανε έναν οπισθοανακλαστήρα, ένα φωτοβολταϊκό στοιχείο που μετατρέπει το οπτικό σήμα σε ηλεκτρική ισχύ και ένα LED που ανάβει όταν παρέχεται ρεύμα. Ο δέκτης αυτός, ο οποίος είναι περίπου 10 επί 10 χιλιοστά, θα μπορούσε εύκολα να ενσωματωθεί σε συσκευές και αισθητήρες.
Τα πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν ότι ένα ασύρματο σύστημα μεταφοράς οπτικής ισχύος μονού καναλιού θα μπορούσε να παρέχει οπτική ισχύ 400 mW σε απόσταση 30 μέτρων, με εύρος γραμμής καναλιού 1 nm. Το φωτοβολταϊκό μετέτρεψε την παροχή αυτή σε ηλεκτρική ισχύ 85 mW. Οι ερευνητές έδειξαν επίσης πως όταν η οπτική επαφή διακόπηκε από ανθρώπινο χέρι, το σύστημα μετέβη αυτόματα σε ασφαλή λειτουργία μεταφοράς ενέργειας. Σε αυτή τη λειτουργία, ο πομπός παρήγαγε ένα απίστευτα χαμηλής έντασης φως που δεν ενέχει κανένα κίνδυνο για ανθρώπους.
«Η χρήση του συστήματος φόρτισης λέιζερ αντί των καλωδίων τροφοδοσίας στα εργοστάσια θα μπορούσε να εξοικονομήσει κόστος συντήρησης και αντικατάστασης», λέει ο Ha. «Αυτό θα μπορούσε να είναι ιδιαίτερα χρήσιμο σε σκληρά περιβάλλοντα όπου οι ηλεκτρικές συνδέσεις μπορεί να προκαλέσουν παρεμβολές ή να δημιουργήσουν κίνδυνο πυρκαγιάς.»
Έχοντας πλέον επιδείξει ότι το σύστημα λειτουργεί, οι ερευνητές εργάζονται ώστε να το κάνουν πιο πρακτικό. Θα μπορούσε, για παράδειγμα, να αυξηθεί η απόδοση του φωτοβολταϊκού στοιχείου ώστε να έχουμε καλύτερη μετατροπή του φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια. Σκοπεύουν επίσης να αναπτύξουν έναν τρόπο ώστε το σύστημα να μπορεί να χρησιμοποιηθεί για φόρτιση πολλών δεκτών ταυτόχρονα.
Παραπομπές: Nadeem Javed et al, Long-range wireless optical power transfer system using an EDFA, Optics Express (2022)
Πηγή: https://www.scientiststudy.com/
