POWER – स्थायी ऑप्टिकल वायरलेस ऊर्जा रिले

वायरलेस पावर

विद्युत उपकरणों के आविष्कार के बाद से, वायरलेस ऊर्जा संचरण का विचार उद्योग का अंतिम लक्ष्य रहा है। इससे महंगे और अक्सर नाज़ुक बुनियादी ढांचे जैसे पावर केबल की आवश्यकता कम हो जाएगी।

वायरलेस ऊर्जा संचरण को अंतरिक्ष-आधारित सौर ऊर्जा के लिए भी आवश्यक होगा, जो संभवतः नवीकरणीय ऊर्जा के साथ पूरी दुनिया को वास्तव में शक्ति प्रदान करने का तरीका है, जैसा कि हमने “Space-Based Energy Solutions For Endless Clean Energy” में वर्णित किया है।

हालाँकि, यह अब तक एक कठिन कार्य रहा है, क्योंकि लंबी दूरी की वायरलेस ऊर्जा संचरण तकनीक अभी भी अपने प्रारंभिक चरण में है।

यह बदल रहा है DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) के एक नए प्रोजेक्ट के कारण, जो नई क्रांतिकारी तकनीकों की खोज और परीक्षण के लिए जिम्मेदार बौद्धिक-वैज्ञानिक-सैन्य एजेंसी है। POWER (Persistent Optical Wireless Energy Relay) नामक इस प्रोजेक्ट ने 8.6 किलोमीटर (5.3 मील) की दूरी पर शक्ति वितरण हासिल किया है।

“यह संदेह से परे है कि हमने शक्ति और दूरी के लिए पहले रिपोर्ट किए गए सभी ऑप्टिकल पावर बीमिंग प्रदर्शन को पूरी तरह नष्ट कर दिया है,” Paul Jaffe – POWER प्रोग्राम मैनेजर

यह केवल एक तकनीक का पहला कदम है जो नागरिक और सैन्य दोनों अनुप्रयोगों के लिए ऊर्जा के संचरण के तरीके को मूल रूप से बदल सकता है।

वायरलेस ऊर्जा ट्रांसफ़र

इंडक्शन

वायरलेस ऊर्जा ट्रांसफ़र एक अपेक्षाकृत अच्छी तरह से महारत हासिल की गई तकनीक बनती जा रही है, लेकिन केवल छोटी दूरी के लिए। यह आमतौर पर इंडक्शन के माध्यम से किया जाता है, जहाँ ऊर्जा को स्थानांतरित करने के लिए चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग किया जाता है और इसे फिर से विद्युत धारा में परिवर्तित किया जाता है।

स्रोत: How2Electronics

समस्या यह है कि इस प्रकार का ऊर्जा संचरण केवल छोटी दूरी, आदर्श रूप से एक मीटर से कम, पर ही काम करता है, जिससे यह किसी भी लंबी दूरी के ऊर्जा संचरण के लिए अनुपयोगी बन जाता है।

लेज़र

हवा में लंबी दूरी तक ऊर्जा प्रसारित करने के लिए, लेज़र अधिक संभावित विकल्प हैं, क्योंकि सुसंगत प्रकाश न्यूनतम हानि के साथ लंबी दूरी तक यात्रा कर सकता है, बशर्ते मौसम की स्थितियाँ अनुमति दें।

यह अपेक्षित है कि लेज़र-आधारित ऊर्जा संचरण जमीन के निकट सबसे कम कुशल होता है, क्योंकि इस ऊँचाई पर वायुमंडल अधिक घना होता है। फिर भी, यही वह स्थिति थी जिसमें PRAD (POWER Receiver Array Demo) डिवाइस का परीक्षण किया गया।

“भू‑मंडल के सापेक्ष सीधे ऊपर या नीचे पावर बीम भेजना बहुत आसान है क्योंकि इससे कम वायुमंडल को पार करना पड़ता है। PRAD के लिए, हम वायुमंडलीय प्रभावों के अधिकतम प्रभाव के तहत परीक्षण करना चाहते थे।” Paul Jaffe – POWER प्रोग्राम मैनेजर

शायद इससे भी अधिक महत्वपूर्ण यह है कि लेज़र प्रकाश को दर्पणों द्वारा अपेक्षाकृत आसानी से परावर्तित किया जा सकता है, जिससे न्यूनतम हानि के साथ बहु‑बिंदु रिले संभव हो जाता है। यह ऊर्जा को और भी लंबी दूरी तक प्रसारित करने और पहाड़ी श्रृंखलाओं या पृथ्वी की वक्रता जैसे बाधाओं को उड़ते रिले की मदद से पार करने में मदद कर सकता है।

स्रोत: DARPA

POWER और PRAD के प्रारंभिक परिणाम

शोधकर्ता टीम ने 30‑सेकंड के ट्रांसमिशन के दौरान 8.6 किलोमीटर (5.3 मील) दूर स्थित लेज़र से 800 वाट से अधिक शक्ति प्रदान की, यह रिकॉर्ड किया।

परीक्षण अभियान के दौरान, एक मेगाजूल से अधिक ऊर्जा स्थानांतरित की गई। यह अभी भी तेल जैसी तरल ईंधन के स्थानांतरण के बराबर से बहुत दूर है, क्योंकि 1 गैलन डीज़ल लगभग 146 मेगाजूल के बराबर है।

फिर भी, यह दूरी और कुल शक्ति दोनों में पिछले वायरलेस ऊर्जा संचरण प्रयासों की तुलना में बड़ी प्रगति है, क्योंकि पहले के सर्वोत्तम परिणाम केवल 500 वाट और अधिकतम 1.7 किलोमीटर थे।

स्रोत: DARPA

नवाचारी रिसीवर

लेज़र के साथ एक शक्तिशाली ऊर्जा बीम बनाना एक ज्ञात तकनीक है। उस ऊर्जा को हवा में भेजना, या यहाँ तक कि दर्पण या ऑप्टिकल सिस्टम से परावर्तित करना भी अपेक्षाकृत आसान कार्य है।

लेज़र की रोशनी को पुनः उपयोगी विद्युत शक्ति में बदलना कठिन भाग है, विशेष रूप से क्योंकि इसे हानियों को यथासंभव सीमित करना आवश्यक है।

PRAD ने एक नई रिसीवर तकनीक का उपयोग किया जिसमें लेज़र बीम के प्रवेश के लिए एक कॉम्पैक्ट एपर्चर था, जिससे रिसीवर में प्रवेश करने के बाद बहुत कम प्रकाश बाहर निकलता है।

स्रोत: DARPA

रिसीवर के अंदर, एक पराबोलिक दर्पण लेज़र को एक विस्तृत शंकु में फैलाता है, लेज़र बीम को दर्जनों फोटोवोल्टाइक सेल (सौर पैनल) पर परावर्तित करता है, जिससे प्रकाश फिर से शक्ति में बदल जाता है।

रिसीवर को Teravec Technologies ने डिजाइन किया, जिसमें Packet Digital और Rochester Institute of Technology का समर्थन शामिल था।

वायरलेस पावर के सैन्य और नागरिक अनुप्रयोग

सैन्य

वर्तमान में, इस तकनीक के अनुप्रयोग मुख्यतः सैन्य-संबंधित प्रतीत होते हैं, इसलिए DARPA की भागीदारी है। ऐसा इसलिए है क्योंकि सैन्य संचालन में कई परिस्थितियों में किसी स्थान तक ऊर्जा ले जाना खतरनाक या असंभव हो सकता है।

ये परीक्षण POWER प्रोग्राम के दीर्घकालिक लक्ष्य की ओर एक महत्वपूर्ण कदम दर्शाते हैं, जिसमें आसानी से उत्पन्न की जा सकने वाले स्थान से तुरंत शक्ति को जहाँ भी आवश्यकता हो वहाँ बीम किया जा सके, जिससे ईंधन सीमाओं से मुक्त प्लेटफ़ॉर्म क्षमताओं के लिए एक नया डिज़ाइन स्पेस खुलता है।

यह तकनीक उच्च शक्ति स्तरों तक स्केलेबल है और विभिन्न प्लेटफ़ॉर्म, जैसे अनमैन्ड एरियल वेहिकल (UAV), में एकीकृत की जा सकती है, जिससे POWER प्रोग्राम की दीर्घकालिक आवश्यकताओं का समर्थन हो सके।

मुख्यतः सैन्य फोकस का एक और कारण यह है कि पूरे सिस्टम की ऊर्जा दक्षता अभी भी कम है।

मुख्य भाग यह है कि बिजली को लेज़र बीम में बदलना बिना हानि के नहीं है, सामान्यतः परिवर्तन दक्षता लगभग 50% होती है, और बहुत कम तापमान में यह 75% तक पहुँच सकती है।

उस लेज़र को फिर से शक्ति में बदलना भी 50% से कम दक्षता वाला होगा, यहाँ तक कि बहुत उच्च‑प्रदर्शन वाले सौर सेल के साथ भी।

इसलिए जबकि यह ड्रोन को उड़ते रखने या सैन्य उपकरणों को सप्लाई करने में समझदारी हो सकती है, POWER जैसी प्रणालियाँ अभी भी प्रारंभिक ऊर्जा का 50‑80% बर्बाद कर देंगी।

इस परीक्षण में, जहाँ दूरी पर ध्यान था, न कि दक्षता पर, टीम ने छोटे दूरी पर लेज़र से निकली ऑप्टिकल शक्ति से रिसीवर में निकली विद्युत शक्ति तक 20% से अधिक दक्षता मापी।

ऐसी अकार्यक्षमता सैन्य के लिए बाधा नहीं है, क्योंकि वर्तमान विकल्प भी अधिक बेहतर नहीं हैं।

“U.S. Air Force के कर्नल Paul Calhoun ने बताया कि वह पहले ईंधन टैंकर को गंतव्यों तक उड़ाते थे, और इस प्रक्रिया में सैकड़ों हज़ार पाउंड ईंधन जलाते थे ताकि हज़ारों पाउंड ईंधन डिलीवर किया जा सके।

इसलिए स्पष्ट रूप से हमारा मौजूदा परिप्रेक्ष्य अत्यधिक अकार्यक्षम है।” Paul Jaffe – POWER प्रोग्राम मैनेजर

इसलिए यदि आज वायु रिफ्यूलिंग केवल 1% कुशल है, तो POWER की 20% दक्षता निश्चित रूप से एक सुधार है।

ऊर्जा ट्रांसफ़र

इन सीमाओं और POWER द्वारा स्थानांतरित की जा सकने वाली कुल ऊर्जा की मात्रा के कारण, यह विधि निकट भविष्य में हाई‑टेंशन पावर लाइनों को प्रतिस्थापित करने की संभावना नहीं रखती।

हालांकि, इस अवधारणा को ऊर्जा ग्रिड को शक्ति देने के लिए किसी अन्य तरीके से लागू किया जा सकता है। ऊर्जा हानि केवल तब समस्या बनती है जब मूल बिंदु इतना ऊर्जा‑समृद्ध नहीं होता कि यह मायने रखे।

यदि हम सौर ऊर्जा उपग्रहों के बड़े पैमाने पर उत्पादन और तैनाती में महारत हासिल कर लें, तो कक्षा में सौर किरणों से 24/7 ऊर्जा उत्पादन, वायुमंडल द्वारा बाधित नहीं, सतह पर सौर पैनलों की तुलना में कई गुना अधिक कुशल होगा। इस संदर्भ में, ऊर्जा को लेज़र या माइक्रोवेव के माध्यम से वापस बीम करना अभी भी आर्थिक रूप से व्यवहार्य होने के लिए पर्याप्त कुशल हो सकता है।

POWER चरण 2 और 3

अब जब पावर ट्रांसमिशन प्रोटोटाइप ने व्यवहारिकता सिद्ध कर दी है, अगले चरण में व्यावहारिक परीक्षण होंगे।

चरण 2 में रिले तकनीकों को पारंपरिक विमान पर ले जाने वाले पॉड में एकीकृत किया जाएगा, जिससे कम‑शक्ति वाले एयरोबर्न परीक्षण होंगे।

एक बाद के अंतिम चरण 3 में, लक्ष्य यह है कि जमीन पर स्थित सुविधा में लेज़र 10 किलोवाट शक्ति को तीन एयरोनॉटिकल रिले का उपयोग करके क्षैतिज रूप से 200 किलोमीटर दूर स्थित ग्राउंड रिसीवर तक बीम करे।

यह दर्शाएगा कि हमारे पास बहुत लंबी दूरी पर ऊर्जा प्रदान करने का साधन होगा, उन स्थानों तक भी जहाँ इसे पहुँचाना अन्यथा कठिन होगा।

Paul Jaffe – POWER प्रोग्राम मैनेजर

निष्कर्ष

POWER ने शक्ति ट्रांसफ़र दक्षता का ऐसा स्तर हासिल किया है जो इसे लंबी दूरी पर सैन्य उपकरणों को ऊर्जा स्थानांतरित करने का एक व्यवहार्य विकल्प बनाता है, जिससे यह मौजूदा मध्य‑आकाश रिफ्यूलिंग विकल्पों से अधिक कुशल है।

यह विमानों से छोटे, विशेषकर ड्रोन, जैसे एयरोबर्न सैन्य उपकरणों के लिए एक अच्छा विकल्प होगा, जो यूक्रेन युद्ध द्वारा प्रदर्शित, विश्व भर में सैन्य हथियारागार का एक अत्यंत महत्वपूर्ण हिस्सा तेजी से बनते जा रहे हैं।

आगे तैनात भूमि इकाइयों को, जो आपूर्ति से कटे हो सकते हैं, ऐसी शक्ति ट्रांसफ़र से लाभ होगा, जिसमें भूमि‑आधारित ड्रोन भी शामिल हैं।

यह प्रोजेक्ट सीधे तौर पर कक्षा‑सौर ऊर्जा की संभावनाओं को प्रभावित नहीं करेगा, लेकिन यह दर्शाता है कि लंबी दूरी की ऊर्जा ट्रांसफ़र अब केवल एक कल्पना नहीं रही।

वायरलेस ऊर्जा ट्रांसफ़र से लाभान्वित ड्रोन निर्माता

यदि वायरलेस ऊर्जा ट्रांसफ़र अमेरिकी सैन्य में सामान्य हो जाता है, तो यह ड्रोन के उपयोग को मौजूदा योजनाओं से भी अधिक तीव्रता से बढ़ा देगा। इसलिए POWER प्रोजेक्ट की सफलता उन कंपनियों को लाभ पहुंचाने की संभावना है जो पहले से ही यूएसए को सैन्य ड्रोन सप्लाई करती हैं।

AeroVironment (AVAV ) अमेरिकी सैन्य द्वारा पहले से तैनात उन्नत आत्मघाती ड्रोन, Switchblade लॉइटरिंग एम्यूनिशन, के अग्रभाग में है (लॉइटरिंग का अर्थ है ड्रोन/मिसाइल की किसी क्षेत्र में कुछ समय तक मंडराने की क्षमता, लक्ष्य की तलाश में, सीधे हमले मोड के बजाय)।

स्रोत: AeroVironment

AeroVironment सैन्य रीकॉनिसेंस ड्रोन, इन्फैंट्री के लिए 2.2kg टैक्टिकल ड्रोन, Nano Air Vehicle (जो एक हाथ में पकड़ने के लिए पर्याप्त छोटा है), और हाई‑एल्टिट्यूड प्स्यूडो‑सैटेलाइट (HAPS) सोलर ग्लाइडर भी प्रदान कर रहा है।

भूमि पर, अनक्रीड ग्राउंड वेहिकल (UGVs) का उपयोग डिमाइनिंग, IEDs (Improvised Explosive Devices) को हटाने, SWAT ऑपरेशन्स, और खतरनाक सामग्री को संभालने के लिए किया जाता है।

स्रोत: AeroVironment

कंपनी ने Ingenuity Mars हेलिकॉप्टर प्रोजेक्ट में भी योगदान दिया, जिसे पहले लाल ग्रह के पतले वायुमंडल में असंभव माना जाता था।

AeroVironment फिर इन सभी सिस्टम को एक सुसंगत AI‑सुधारित सामान्य नियंत्रण में एकीकृत कर सकता है, जिससे सभी स्वायत्त सिस्टम और संबंधित डेटा एक साथ लाए जा सकें।

स्रोत: AeroVironment

लॉइटरिंग एम्यूनिशन सबसे बड़ा खंड है ($5 बिलियन कुल संभावित बाजार – TAM) और तेज़ी से बढ़ रहा है। कुल मिलाकर, कंपनी ने 2023 में अपनी आय में 40% की वृद्धि की और 2025 वित्तीय वर्ष में दो‑अंकीय आय वृद्धि बनाए रखने की उम्मीद है।

AeroVironment ने नवंबर 2024 में BlueHalo के साथ लगभग $4.1 बिलियन के एंटरप्राइज़ वैल्यू वाले सभी-स्टॉक लेनदेन में विलय किया, जो AeroVironment की बाजार पूंजी के लगभग बराबर है। AeroVironment के शेयरधारक अब लगभग 60.5% के मालिक हैं, और BlueHalo के शेयरधारक संयुक्त कंपनी के लगभग 39.5% के मालिक होंगे।

BlueHalo कंपनी को पूरक रक्षा‑संबंधी गतिविधियाँ लाता है:

• अंतरिक्ष संचार।
• ड्रोन के खिलाफ प्रत्यक्ष ऊर्जा हथियार और इलेक्ट्रॉनिक युद्ध प्रणाली।
• समुद्री ड्रोन।
• ड्रोन स्वॉर्म नियंत्रण और शत्रु स्वॉर्म के खिलाफ रक्षा के लिए AI टूल्स।

नया बना हुआ कंपनी भविष्य के सैन्य ड्रोन स्वॉर्म के लिए एक लगातार बड़ा रक्षा ठेकेदार बनने की संभावना रखता है।

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