POWER – Pysyvä optinen langaton energian välittäjä

Langaton energia

Sähkölaitteiden keksimisestä lähtien langaton energiansiirto on ollut alan pitkän aikavälin tavoite. Se vähentäisi kalliiden ja usein vaurioherkkien rakenteiden, kuten voimakaapeleiden, tarvetta.

Langaton energiansiirto tulee myös olemaan tarpeen avaruuspohjaista aurinkoenergiaa varten, mikä on todennäköisesti tapa todella virrata koko maailma uusiutuvalla energialla, kuten kuvasimme artikkelissa “Avaruuteen sijoitetut ratkaisut rajattoman puhtaan energian tuottamiseen”.

Tämä on kuitenkin ollut tähän mennessä vaikea tehtävä, sillä pitkän matkan langaton energiansiirron teknologia on yhä varhaisessa kehitysvaiheessa.

Tilanne on alkanut muuttua DARPAn (Defense Advanced Research Projects Agency) uuden hankkeen ansiosta. Yhdysvaltain puolustusministeriön tutkimusvirasto tutkii ja testaa uraauurtavia uusia teknologioita. POWER-hankkeessa (Persistent Optical Wireless Energy Relay) energiaa on onnistuttu siirtämään 8,6 kilometrin (5,3 mailin) päähän.

“Olemme epäilemättä rikkoneet kaikki aiemmat optisen energiansiirron koetulokset sekä tehon että etäisyyden osalta.”

Paul Jaffe – POWER-ohjelman johtaja

Tämä on vasta ensimmäinen askel teknologiassa, joka voisi radikaalisti muuttaa energian siirtoa sekä siviili- että sotilaskäytössä.

Langaton energiansiirto

Induktio

Langaton energiansiirto on kehittymässä melko hallituksi teknologiaksi, mutta vain lyhyille etäisyyksille. Tämä toteutetaan yleensä induktion avulla, jossa magneettikenttä siirtää energiaa ja se muunnetaan takaisin sähkövirraksi.

Lähde: How2Electronics

Ongelma on, että tämäntyyppinen energiansiirto toimii vain lyhyillä etäisyyksillä, mieluiten alle metrin, mikä tekee siitä käyttökelvottoman pitkän matkan energiansiirtoon.

Laserit

Energiaa siirrettäessä pitkiä matkoja ilmassa, laserit ovat todennäköisempi vaihtoehto, sillä koherentti valo voi kulkea pitkiä matkoja minimaalisella häviöllä, ainakin niin kauan kuin sääolosuhteet sen sallivat.

Oletetaan, että laseripohjainen energiansiirto on vähiten tehokas lähellä maata, koska ilmakehä on paksumpi tällä korkeudella. Silti tämä on se olosuhde, jossa PRAD (POWER Receiver Array Demo) -laitetta testattiin.

“On paljon helpompaa lähettää energiasäde suoraan ylös tai alas suhteessa maahan, koska läpäistävänä on paljon vähemmän ilmakehää. PRAD:lle halusimme testata suurimman mahdollisen ilmakehän vaikutuksen alaisena.”

Paul Jaffe – POWER-ohjelman johtaja

Ehkä tärkeämpää on, että laservaloa voidaan melko helposti heijastaa peilien avulla, mikä mahdollistaa monipisteisen välityksen minimaalisilla häviöillä. Tämä voi auttaa siirtämään energiaa vielä pidemmille matkoille ja ohittamaan esteitä kuten vuoristoketjut tai Maan kaarevuus, kiitos lentävien välittimien.

Lähde: DARPA

POWER & PRAD:n Alkuperäiset tulokset

Tutkijaryhmä kirjasi yli 800 watin energian toimituksen 30 sekunnin siirron aikana laserilta, joka oli 8,6 kilometriä (5,3 mailia) päässä.

Testikampanjan aikana siirrettiin yli megajoulea energiaa. Tämä on edelleen kaukana nestemäisen polttoaineen, kuten öljyn, siirron vastaavasta, sillä yksi gallona dieselia vastaa 146 megajoulea.

Silti se on suuri edistys aiempiin langattoman energiansiirron yrityksiin verrattuna sekä etäisyyden että kokonaistehon osalta, sillä aiemmat parhaat tulokset olivat vain 500 wattia ja enintään 1,7 kilometriä.

Lähde: DARPA

Innovatiivinen vastaanotin

Tehokkaan energiasäteen luominen laseilla on tunnettu teknologia. Tämän energian lähettäminen ilmaan tai sen heijastaminen peilin tai optisten järjestelmien avulla on myös melko helppoa.

Laserin valon muuntaminen takaisin käyttökelpoiseksi sähköenergiaksi on vaikea osa, erityisesti koska häviöitä on rajoitettava mahdollisimman paljon.

PRAD käytti uudenlaista vastaanotinteknologiaa, jossa kompakti aukko ohjaa laserin sisään ja estää valon karkaamisen vastaanottimesta.

Lähde: DARPA

Vastaanottimen sisällä parabolinen peili levittää laserin laajemmaksi kartioksi ja heijastaa säteen kymmeniin aurinkokennoihin, jotka muuntavat valon takaisin sähköksi.

Vastaanottimen suunnitteli Teravec Technologies, tukena Packet Digital ja Rochester Institute of Technology.

Sotilaalliset ja siviilikäyttötarkoitukset langattomalle energialle

Sotilaallinen

Tällä hetkellä teknologian sovellukset vaikuttavat olevan pääasiassa sotilaallisia, mistä johtuu DARPA:n osallistuminen. Tämä johtuu siitä, että sotilasoperaatioissa voi olla monia tilanteita, joissa energian kuljettaminen tiettyyn paikkaan on vaarallista tai jopa mahdotonta.

Nämä testit ovat tärkeä askel kohti POWER-ohjelman pitkän aikavälin tavoitetta: energiaa voitaisiin siirtää välittömästi paikasta, jossa sitä on helppo tuottaa, sinne missä sitä tarvitaan. Tämä avaisi uusia mahdollisuuksia alustoille, joiden toimintakykyä polttoainerajoitukset eivät määritä.

Teknologia on skaalattavissa korkeampiin tehotasoihin ja voidaan integroida eri alustoihin, kuten miehittämättömiin ilma-aluksiin (UAV), tukemaan POWER-ohjelman pitkän aikavälin tarpeita.

Toinen syy pääasialliselle sotilaalliselle painotukselle on, että koko järjestelmän energiatehokkuus on edelleen alhainen.

Keskeinen osa on, että sähkön muuntaminen laserisäteeksi ei ole ilman häviöitä, muuntoteho on yleensä noin 50 %, mahdollisesti jopa 75 % erittäin alhaisissa lämpötiloissa.

Laserin takaisin muuntaminen energiaksi on todennäköisesti myös alle 50 % tehokas, vaikka käytettäisiin erittäin suorituskykyisiä aurinkokennoja.

Joten vaikka onkin järkevää pitää droneja lennossa tai toimittaa energiaa sotilaslaitteille, järjestelmät kuten POWER kuluttavat edelleen 50–80 % alkuperäisestä energiasta.

Tässä testissä, jossa etäisyys oli painopiste eikä tehokkuus, tiimi mittasi yli 20 % tehokkuuden optisesta tehosta laserista vastaanottimen sähköiseen tehoon lyhyemmillä etäisyyillä.

Tämäntyyppinen tehottomuus ei ole sotilaille ratkaiseva, sillä nykyiset vaihtoehdot eivät ole paljon parempia.

“Yhdysvaltain ilmavoimien eversti Paul Calhoun kertoi lentäneensä aiemmin polttoainetta kuljettavilla tankkerikoneilla. Tuhansien polttoainepaunojen toimittamiseen kului matkan aikana satojatuhansia paunoja polttoainetta.

Nykyinen toimintatapamme on siis selvästi poikkeuksellisen tehoton.”

Paul Jaffe – POWER-ohjelman johtaja

Jos ilmatankkaus on tänään vain 1 % tehokas, POWER:n 20 % tehokkuus on varmasti parannus.

Energian siirto

Näiden rajoitusten ja POWER:n siirrettävän energian kokonaismäärän vuoksi tämä menetelmä ei todennäköisesti korvaa korkeajännitteisiä voimajohtoja lähiaikoina.

Konsepti voitaisiin kuitenkin toteuttaa toisenlaisessa energiajärjestelmässä. Siirtohäviöt eivät olisi ratkaiseva ongelma, jos lähtöpisteessä olisi tarjolla niin paljon energiaa, että häviöt voitaisiin hyväksyä.

Jos pystymme hallitsemaan aurinkoenergia-satelliittien massatuotannon ja käyttöönoton, 24/7 energian tuotanto aurinkosäteistä kiertoradalla, ilman ilmakehän esteitä, olisi kymmenkertaisesti tehokkaampaa kuin maanpinnan aurinkopaneelit. Tässä yhteydessä energian takaisinlähetys, joko laserilla tai mikroaalloilla, voisi silti olla riittävän tehokasta taloudellisesti kannattavaksi.

POWER Vaihe 2 & 3

Kun energiansiirron prototyyppi on osoittautunut toimivaksi, seuraavaksi on käytännön testit.

Vaihe 2 integroi välitysteknologiat pod-ryhmiksi, jotka kuljetetaan perinteisillä lentokoneilla, päättyen matalan tehon ilmailutesteihin.

Myöhemmässä ja lopullisessa vaiheessa 3 tavoitteena on, että maassa sijaitseva laser lähettää 10 kilowattia tehoa maassa olevaan vastaanottimeen vaakasuunnassa 200 kilometrin etäisyydeltä käyttäen kolmea ilmailuvälitystä.

Tämä osoittaisi, että meillä on keino toimittaa energiaa erittäin pitkille matkoille paikkoihin, joihin se muuten olisi vaikea toimittaa.

Yhteenveto

POWER on saavuttanut energiansiirron tehokkuustason, joka tekee siitä käyttökelpoisen vaihtoehdon energian siirtämiseen sotilaslaitteisiin pitkien matkojen päässä, tehden siitä tehokkaamman kuin nykyiset ilmailutankkausvaihtoehdot.

Se on hyvä vaihtoehto lentävälle sotilaslaitteistolle, joka on pienempi kuin lentokoneet, erityisesti droneille, jotka nousevat nopeasti erittäin tärkeäksi osaksi sotilasarsenaalia ympäri maailmaa, kuten Ukraina-sota on osoittanut.

Etukäteen sijoitettujen maajoukkojen ja mahdollisesti huollosta eristettyjen yksiköiden varustaminen hyötyy myös tällaisesta energiansiirrosta, mukaan lukien maassa toimivat dronet.

Tämä hanke ei suoraan vaikuta kiertoradan aurinkoenergian näkymiin, mutta se osoittaa, että pitkän matkan energiansiirto ei ole enää haave.

Langattomasta energiansiirrosta hyötyvät dronevalmistajat

Jos langaton energiansiirto yleistyy Yhdysvaltain armeijassa, se lisää radikaalisti dronejen käyttöä, jopa enemmän kuin tällä hetkellä on suunniteltu. Näin ollen POWER-projektin menestys todennäköisesti hyödyttää yrityksiä, jotka jo toimittavat Yhdysvalloille sotilasdronia.

AeroVironment (AVAV ) on kehittyneiden vaanivien ammusten eturintamassa, joita Yhdysvaltain armeija on jo ottanut käyttöön, Switchblade-vaaniva ammus (loitering viittaa dronin/missaalin kykyyn leijua alueella hetken aikaa etsien kohdetta, sen sijaan että se käyttäisi suoraa hyökkäystapaa).

Lähde: AeroVironment

AeroVironment tarjoaa myös sotilaallisia tiedusteludroneja, 2.2kg taktisia droneja jalkaväelle, Nano Air Vehicle -nanolennokki, joka on niin pieni, että sen voi pitää yhdellä kädellä, ja korkean ilmanalan pseudo-satelliitti (HAPS) -aurinkolentokoneita.

Maassa miehittämättömiä maajärjestelmiä (UGV) käytetään miinanraivaamiseen, IED-laitteiden (Improvised Explosive Devices) poistamiseen, SWAT-toimintoihin ja vaarallisten aineiden käsittelyyn.

Lähde: AeroVironment

Yritys on jopa osallistunut Ingenuity Mars -helikopteriprojektiin, mikä aiemmin katsottiin mahdottomaksi punaisen planeetan harvaan ilmakehään.

AeroVironment voi sitten integroida kaikki nämä järjestelmät yhtenäiseksi tekoälyparannetuksi yhteiskontrolliksi, yhdistäen kaikki autonomiset järjestelmät ja olennaiset tiedot.

Lähde: AeroVironment

Leijuvien ammusten segmentti on suurin ($5B Total Addressable Market – TAM) ja kasvaa nopeasti. Kaiken kaikkiaan yrityksen liikevaihto kasvoi 40 % vuonna 2023, ja sen odotetaan säilyttävän kaksinumeroisen liikevaihdon kasvun tilikaudella 2025.

AeroVironment yhdistyi marraskuussa 2024 BlueHalo:n kanssa kokonaan osakkein toteutetussa kaupassa, jonka yritysarvo on noin 4,1 miljardia dollaria, lähes sama markkina-arvo kuin AeroVironmentilla. AeroVironmentin osakkeenomistajat omistavat nyt ~60.5%, ja BlueHalo:n osakkeenomistajat omistavat ~39.5% yhdistyneestä yhtiöstä.

BlueHalo tuo yhtiöön täydentäviä puolustusalan toimintoja:

• Avaruustiedon viestintä.
• Suunnatun energian aseet ja elektronisen sodankäynnin järjestelmät droneja vastaan.
• Meridronet.
• Tekoälytyökalut droneparvien ohjaukseen ja puolustukseen vihollisparvia vastaan.

Uudeksi yhdistyneeksi yhtiöksi todennäköisesti kehittyy yhä suurempi puolustustarjoaja tulevaisuuden sotilasdroneparveille.

Uusimmat AeroVironment (AVAV) osakeuutiset ja kehitys