POWER – Relè Ottico Persistente di Energia Wireless

Energia Wireless

Fin dalla invenzione dei dispositivi elettrici, l’idea della trasmissione di energia wireless è stata l’obiettivo finale dell’industria. Ciò ridurrebbe la necessità di infrastrutture costose e spesso fragili come i cavi elettrici.

La trasmissione di energia wireless sarà necessaria anche per l’energia solare basata nello spazio, che è probabilmente il modo per alimentare davvero l’intero mondo con energia rinnovabile, come abbiamo descritto in “Soluzioni Energetiche Basate nello Spazio per Energia Pulita Infinita”.

Tuttavia, è stato finora un compito difficile, poiché la tecnologia di trasmissione di energia wireless a lunga distanza è ancora nelle sue fasi embrionali.

Sta cambiando grazie a un nuovo progetto della DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), l’agenzia di intelligence, scienza e difesa responsabile dell’esplorazione e della sperimentazione di tecnologie rivoluzionarie. Chiamato POWER (Persistent Optical Wireless Energy Relay), questo progetto ha raggiunto la consegna di energia a 8,6 chilometri (5,3 miglia) di distanza.

“È indubbio che abbiamo assolutamente superato tutte le dimostrazioni precedenti di trasmissione ottica di potenza per potenza e distanza,” Paul Jaffe – responsabile del programma POWER

Questo è solo il primo passo di una tecnologia che potrebbe cambiare radicalmente il modo in cui l’energia viene trasmessa, sia per applicazioni civili che militari.

Trasferimento di Energia Wireless

Induzione

Il trasferimento di energia wireless sta diventando una tecnologia relativamente ben padroneggiata, ma solo per brevi distanze. Questo avviene solitamente tramite induzione, utilizzando un campo magnetico per trasferire l’energia e vederla convertita nuovamente in corrente elettrica.

Fonte: How2Electronics

Il problema è che questo tipo di trasmissione di energia funziona solo su brevi distanze, idealmente meno di un metro, il che lo rende inutilizzabile per qualsiasi trasmissione di energia a lunga distanza.

Laser

Per trasmettere energia su lunghe distanze nell’aria, i laser sono un candidato più probabile, poiché la luce coerente può viaggiare a grandi distanze con perdite minime, almeno finché le condizioni meteorologiche lo consentono.

Si prevede che la trasmissione di energia basata su laser sia meno efficiente vicino al suolo, poiché l’atmosfera è più densa a questa altitudine. Tuttavia, questa è la condizione in cui è stato testato il dispositivo PRAD (POWER Receiver Array Demo).

“È molto più facile inviare un fascio di potenza direttamente verso l’alto o verso il basso rispetto al suolo perché c’è molto meno atmosfera da attraversare. Per PRAD, volevamo testare sotto il massimo impatto degli effetti atmosferici.” Paul Jaffe – responsabile del programma POWER

Forse più importante, la luce laser può anche essere riflessa relativamente facilmente da specchi, consentendo un relè a più punti con perdite minime. Questo può aiutare a trasmettere energia su distanze ancora più lunghe e aggirare ostacoli come catene montuose o la curvatura della Terra, grazie a relè volanti.

Fonte: DARPA

Risultati Iniziali di POWER & PRAD

Il team di ricercatori ha registrato più di 800 watt di potenza consegnata durante una trasmissione di 30 secondi da un laser a 8,6 chilometri (5,3 miglia) di distanza.

Nel corso della campagna di test, è stato trasferito più di un megajoule di energia. Questo è ancora molto lontano dall’equivalente del trasferimento di combustibile liquido come il petrolio, poiché 1 gallone di diesel corrisponde a 146 megajoule.

Tuttavia, è un grande progresso rispetto ai tentativi precedenti di trasmissione di energia wireless, sia in termini di distanza che di potenza totale, poiché i risultati migliori precedenti erano solo 500 watt e una distanza massima di 1,7 chilometri.

Fonte: DARPA

Ricevitore Innovativo

Creare un potente fascio di energia con i laser è una tecnologia ben nota. Inviare quell’energia attraverso l’aria, o anche rifletterla con uno specchio o sistemi ottici, è anche un compito relativamente semplice.

Convertire la luce del laser nuovamente in energia elettrica utilizzabile è la parte difficile, soprattutto perché è necessario limitare le perdite il più possibile.

PRAD ha utilizzato una nuova tecnologia di ricevitore con un’apertura compatta per far entrare il fascio laser, garantendo che pochissima luce fuoriesca una volta entrata nel ricevitore.

Fonte: DARPA

All’interno del ricevitore, uno specchio parabolico diffonde il laser in un cono più ampio, riflettendo il fascio laser su decine di celle fotovoltaiche (pannelli solari), trasformando nuovamente la luce in energia.

Il ricevitore è stato progettato da Teravec Technologies, con il supporto di Packet Digital e del Rochester Institute of Technology.

Applicazioni Militari e Civili dell’Energia Wireless

Militare

Al momento, le applicazioni della tecnologia sembrano essere principalmente di natura militare, da qui il coinvolgimento della DARPA. Ciò perché le operazioni militari possono trovarsi in molte circostanze in cui trasportare energia verso una determinata posizione può essere pericoloso o addirittura impossibile.

Questi test rappresentano un passo importante verso l’obiettivo a lungo termine del programma POWER di poter trasmettere istantaneamente energia da un luogo dove può essere generata facilmente a qualsiasi luogo ne abbia bisogno, aprendo uno spazio di progettazione nuovo per le capacità delle piattaforme senza i limiti del carburante.

La tecnologia è scalabile a livelli di potenza più elevati e può essere integrata in diverse piattaforme, come veicoli aerei senza pilota (UAV), per supportare le esigenze a lungo termine del programma POWER.

Un altro motivo per il focus prevalentemente militare è che l’efficienza energetica dell’intero sistema è ancora bassa.

La parte chiave è che la trasformazione dell’elettricità in un fascio laser non è priva di perdite, con una conversione solitamente intorno al 50% di efficienza, potenzialmente fino al 75% a temperature molto basse.

Convertire nuovamente quel laser in energia sarà probabilmente inferiore al 50% di efficienza, anche con celle solari ad altissime prestazioni.

Quindi, sebbene possa avere senso mantenere i droni in volo o fornire energia alle attrezzature militari, sistemi come POWER sprecheranno comunque dal 50% all’80% dell’energia iniziale.

In questo test, dove la distanza era l’obiettivo, non l’efficienza, il team ha misurato più del 20% di efficienza dalla potenza ottica del laser a quella elettrica del ricevitore a distanze più brevi.

Questo tipo di inefficienza non è un ostacolo per l’esercito, poiché le alternative attuali non sono molto migliori.

“Il colonnello Paul Calhoun dell’U.S. Air Force ha osservato che in passato trasportava carri di carburante verso le destinazioni, e nel processo bruciava centinaia di migliaia di libbre di carburante per consegnare migliaia di libbre di carburante.

Quindi è chiaro che il nostro paradigma attuale è straordinariamente inefficiente.” Paul Jaffe – responsabile del programma POWER

Quindi, se il rifornimento aereo è solo all’1% di efficienza oggi, il 20% di efficienza di POWER è certamente un miglioramento.

Trasferimento di Energia

A causa di queste limitazioni, e anche del volume totale di energia che POWER può trasferire, questo metodo è improbabile che sostituisca le linee elettriche ad alta tensione nel prossimo futuro.

Tuttavia, questo concetto potrebbe essere impiegato in un altro modo per alimentare la rete energetica. La perdita di energia è un problema solo se il punto di origine non è così ricco di energia da renderla irrilevante.

Se riuscissimo a padroneggiare la produzione di massa e il dispiegamento di satelliti solari, la produzione di energia 24/7 dai raggi solari in orbita, non ostacolata dall’atmosfera, sarebbe di un ordine di grandezza più efficiente rispetto ai pannelli solari sulla superficie. In quel contesto, la trasmissione di energia indietro, sia con laser che con microonde, potrebbe comunque essere sufficientemente efficiente da risultare economicamente sostenibile.

POWER Fase 2 & 3

Ora che il prototipo di trasmissione di potenza ha dimostrato di essere fattibile, i test pratici sono i prossimi.

La Fase 2 integrerà le tecnologie di relè in pod trasportati su aeromobili convenzionali, culminando in test aerei a bassa potenza.

In una fase 3 successiva e finale, l’obiettivo è che un laser in una struttura a terra trasmetta 10 kilowatt di potenza a un ricevitore a terra situato orizzontalmente a 200 chilometri di distanza, utilizzando tre relè aerei.

Questo dimostrerebbe che avremo un mezzo per fornire energia su distanze molto lunghe a luoghi che altrimenti sarebbero difficili da raggiungere. Paul Jaffe – responsabile del programma POWER

Conclusione

POWER ha raggiunto un livello di efficienza nel trasferimento di potenza che lo rende un’opzione praticabile per trasferire energia alle attrezzature militari su lunghe distanze, rendendolo più efficiente rispetto alle attuali opzioni di rifornimento aereo.

Sarà una buona opzione per le attrezzature militari aeree più piccole degli aerei, in particolare i droni, che stanno rapidamente diventando una parte molto importante degli arsenali militari in tutto il mondo, come dimostrato dalla guerra in Ucraina.

Fornire le unità di terra schierate in avanti e potenzialmente isolate dalle forniture beneficerà anche di tale trasmissione di energia, inclusi i droni terrestri.

Questo progetto non influenzerà direttamente le prospettive dell’energia solare orbitale, ma dimostra che la trasmissione di energia a lunga distanza non è più un sogno irrealizzabile.

Produttori di Droni che Beneficiano del Trasferimento di Energia Wireless

Se la trasmissione di energia wireless diventerà comune nell’esercito statunitense, aumenterà radicalmente l’utilizzo dei droni, anche più di quanto attualmente previsto. Pertanto, il successo del progetto POWER probabilmente beneficerà le aziende che già forniscono agli USA droni militari.

AeroVironment (AVAV ) è in prima linea nei droni suicidi avanzati già impiegati dall’esercito statunitense, la munizione loitering Switchblade (loitering si riferisce alla capacità del drone/missile di sorvolare un’area per un po’, cercando il suo bersaglio, invece della modalità di attacco diretto di un missile).

Fonte: AeroVironment

AeroVironment offre anche droni militari da ricognizione, droni tattici da 2,2 kg per la fanteria, il Nano Air Vehicle, abbastanza piccolo da poter essere tenuto in una mano, e alianti solari ad alta quota pseudo-satellitari (HAPS).

A terra, i veicoli terrestri senza equipaggio (UGV) sono utilizzati per lo sminamento, la rimozione di IED (Dispositivi Esplosivi Improvisati), operazioni SWAT e la gestione di materiali pericolosi.

Fonte: AeroVironment

L’azienda ha persino contribuito al progetto del rover elicottero Ingenuity su Marte, qualcosa che prima si credeva impossibile nell’atmosfera rarefatta del pianeta rosso.

AeroVironment può quindi integrare tutti questi sistemi in un controllo comune potenziato dall’IA, unendo tutti i sistemi autonomi e i dati pertinenti.

Fonte: AeroVironment

La munizione loitering è il segmento più grande (Mercato Totale Indirizzabile – TAM di 5 miliardi di dollari) e sta crescendo rapidamente. Complessivamente, l’azienda ha aumentato i ricavi del 40% nel 2023 e prevede di mantenere una crescita a doppia cifra nel 2025.

AeroVironment si è fusa nel novembre 2024 con BlueHalo in una transazione interamente in azioni con un valore d’impresa di circa 4,1 miliardi di dollari, quasi la stessa capitalizzazione di mercato di AeroVironment. Gli azionisti di AeroVironment possiedono ora circa il 60,5%, e gli azionisti di BlueHalo possederanno circa il 39,5% della società combinata.

• Comunicazione spaziale.
• Armi a energia diretta e sistemi di guerra elettronica contro i droni.
• Droni marittimi.
• Strumenti IA per il controllo di sciami di droni e la difesa contro sciami nemici.

La nuova società fusa probabilmente diventerà un appaltatore della difesa sempre più grande per i futuri sciami di droni militari.

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