POWER – Vedvarende optisk trådløs energirelay

Trådløs kraft

Siden oppfinnelsen av elektriske apparater har ideen om trådløs energioverføring vært industriens endelige mål. Dette ville redusere behovet for kostbar og ofte skjør infrastruktur som kraftkabler.

Trådløs energioverføring vil også være nødvendig for rombasert solenergi, som sannsynligvis er måten å virkelig forsyne hele verden med fornybar energi på, som vi beskrev i “Space-Based Energy Solutions For Endless Clean Energy”.

Dette har imidlertid vært en vanskelig oppgave så langt, med langdistanse trådløs energioverføringsteknologi som fortsatt er i sin spede begynnelse.

Det har endret seg takket være et nytt prosjekt fra DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), den etterretnings‑vitenskap‑militære etaten som har ansvar for å utforske og teste banebrytende ny teknologi. Kalt POWER (Persistent Optical Wireless Energy Relay), har dette prosjektet oppnådd kraftlevering 8,6 kilometer (5,3 miles) unna.

“Det er uten tvil at vi fullstendig har overgått alle tidligere rapporterte demonstrasjoner av optisk kraftstråling for både kraft og avstand,”

Paul Jaffe – POWER program manager

Dette er bare det første steget i en teknologi som kan endre hvordan energi overføres radikalt, både for sivile og militære anvendelser.

Trådløs energioverføring

Induksjon

Trådløs energioverføring blir en relativt velbehersket teknologi, men kun for korte avstander. Dette gjøres vanligvis med induksjon, ved å bruke et magnetisk felt til å overføre energien og se den konverteres tilbake til en elektrisk strøm.

Kilde: How2Electronics

Problemet er at denne typen energioverføring kun fungerer over korte avstander, ideelt sett mindre enn en meter, noe som gjør den ubrukelig for langdistanse energioverføring.

Laser

For å overføre energi over lange avstander i luften er laser en mer sannsynlig kandidat, siden koherent lys kan reise lange avstander med minimal tap, så lenge værforholdene tillater det.

Det forventes at laserbasert energioverføring er minst effektiv når den er nær bakken, da atmosfæren er tettere i denne høyden. Likevel var dette tilstanden som PRAD‑enheten (POWER Receiver Array Demo) ble testet under.

«Det er mye enklere å sende en kraftstråle direkte opp eller ned i forhold til bakken fordi det er så mye mindre atmosfære å kjempe seg gjennom. For PRAD ønsket vi å teste under maksimal påvirkning av atmosfæriske effekter.»

Paul Jaffe – POWER program manager

Kanskje enda viktigere er at laserlys også relativt enkelt kan reflekteres av speil, noe som gjør det mulig med et flerpunkt‑relé med minimale tap. Dette kan hjelpe med å overføre energi over enda lengre avstander og omgå hindringer som fjellkjeder eller jordens krumning, takket være flygende reléer.

Kilde: DARPA

POWER og PRADs første resultater

Forskerteamet registrerte mer enn 800 watt kraft levert under en 30‑sekunders overføring fra en laser 8,6 kilometer (5,3 miles) unna.

I løpet av testkampanjen ble mer enn en megajoule energi overført. Dette er fortsatt langt fra ekvivalenten av å overføre flytende drivstoff som olje, siden én gallon diesel tilsvarer 146 megajoule.

Likevel er dette en stor fremgang sammenlignet med tidligere forsøk på trådløs energioverføring, både i avstand og total kraft, siden de tidligere beste resultatene kun var 500 watt og maksimalt 1,7 kilometer.

Kilde: DARPA

Innovativ mottaker

Å skape en kraftig energistråle med laser er en velkjent teknologi. Å sende den energien gjennom luften, eller til og med reflektere den med et speil eller optiske systemer, er også en relativt enkel oppgave.

Å konvertere laserens lys tilbake til brukbar elektrisk kraft er den vanskelige delen, spesielt siden den må begrense tap så mye som mulig.

PRAD brukte en ny mottakert teknologi med en kompakt åpning som laserstrålen kan skinne inn i, og sikrer at svært lite lys slipper ut når det har kommet inn i mottakeren.

Kilde: DARPA

Inne i mottakeren spredte et paraboloid speil laserstrålen ut i en bredere kjegle, og reflekterte den på dusinvis av fotovoltaiske celler (solcellepaneler), som omdanner lyset tilbake til kraft.

Mottakeren ble designet av Teravec Technologies, med støtte fra Packet Digital og Rochester Institute of Technology.

Militære og sivile anvendelser av trådløs kraft

Militær

Som det står nå, ser teknologienes anvendelser primært ut til å være militære, derav DARPA‑s involvering. Det er fordi militære operasjoner kan møte mange situasjoner hvor det er farlig eller umulig å frakte energi til et gitt sted.

Disse testene markerer et viktig steg mot POWER‑programmets langsiktige mål om å kunne sende kraft umiddelbart fra et sted hvor den lett kan genereres til hvor den trengs, og åpner et nytt designrom for plattformkapasiteter uten begrensning av drivstoff.

Teknologien er skalerbar til høyere kraftnivåer og kan integreres i ulike plattformer, som ubemannede luftfartøy (UAV), for å støtte POWER‑programmets langsiktige behov.

En annen grunn til det primært militære fokuset er at energieffektiviteten til hele systemet fortsatt er lav.

Hoveddelen er at transformasjonen av elektrisitet til en laserstråle ikke er uten tap, med en konvertering vanligvis rundt 50 % effektivitet, potensielt opp til 75 % ved svært lave temperaturer.

Å konvertere den laserstrålen tilbake til kraft vil også sannsynligvis være under 50 % effektivitet, selv med svært høy‑ytelses solceller.

Så selv om det kan gi mening å holde droner i luften eller forsyne militært utstyr, vil systemer som POWER fortsatt kaste bort 50‑80 % av den opprinnelige energien.

I denne testen, hvor avstand var i fokus og ikke effektivitet, målte teamet mer enn 20 % effektivitet fra den optiske kraften fra laser til den elektriske kraften fra mottakeren på kortere avstander.

Denne typen ineffektivitet er ikke en deal‑breaker for militæret, siden de nåværende alternativene ikke er mye bedre.

«U.S. Air Force Col. Paul Calhoun bemerket at han pleide å fly tankskip med drivstoff til destinasjoner, og i prosessen brente hundretusener av pund drivstoff for å levere tusenvis av pund drivstoff.

Så tydelig er vårt eksisterende paradigme usedvanlig ineffektivt.

Paul Jaffe – POWER program manager

Så hvis lufttankning i dag bare er 1 % effektiv, er de 20 % som POWER oppnår definitivt en forbedring.

Energioverføring

På grunn av disse begrensningene, og også den totale mengden energi POWER kan overføre, er det usannsynlig at denne metoden vil erstatte høyspente kraftlinjer i nær fremtid.

Dette konseptet kan imidlertid bli distribuert på en annen måte for å forsyne energigrid‑en. Energitap er kun et problem hvis opprinnelsespunktet ikke er så energirik at det ikke spiller noen rolle.

Hvis vi kan mestre masseproduksjon og distribusjon av solenergisatellitter, vil 24/7‑produksjon av energi fra solstrålene i bane, uforstyrret av atmosfæren, være en størrelsesorden mer effektiv enn solcellepaneler på jordoverflaten. I den sammenhengen kan tilbake‑stråling av energi, enten med laser eller mikrobølger, fortsatt være effektiv nok til å være økonomisk levedyktig.

POWER fase 2 og 3

Nå som prototype for kraftoverføring har vist seg levedyktig, er praktiske tester neste steg.

Fase 2 vil integrere relé‑teknologiene i podder som bæres på konvensjonelle fly, og kulminere i lav‑kraft luft‑tester.

I en senere og siste fase 3 er målet at en laser i en bakkefasilitet skal sende 10 kilowatt kraft til en bakkemottaker horisontalt 200 kilometer unna ved bruk av tre luft‑reléer.

Dette vil demonstrere at vi vil ha et middel til å levere energi over svært lange avstander til steder som ellers ville vært vanskelige å levere til.

Paul Jaffe – POWER program manager

Konklusjon

POWER har oppnådd et nivå av kraftoverføringseffektivitet som gjør det til et levedyktig alternativ for å overføre energi til militært utstyr over lange avstander, og gjør det mer effektivt enn eksisterende midt‑luft tankningsalternativer.

Det vil være et godt alternativ for luftbårent militært utstyr som er mindre enn fly, spesielt droner, som raskt blir en svært viktig del av militære arsenaler verden over, som demonstrert av krigen i Ukraina.

Forsyning av landbaserte enheter som er utplassert fremover og potensielt kuttet fra forsyningslinjer vil også ha nytte av slik kraftoverføring, inkludert landbaserte droner.

Dette prosjektet vil ikke direkte påvirke utsiktene for orbital solenergi, men det viser at langdistanse energioverføring ikke lenger er en drøm.

Droneprodusenter som drar nytte av trådløs energioverføring

Hvis trådløs energioverføring blir vanlig i det amerikanske militæret, vil det radikalt øke bruken av droner, enda mer enn det som nå er planlagt. Så suksessen til POWER‑prosjektet vil sannsynligvis komme til nytte for selskapene som allerede leverer USA militære droner.

AeroVironment (AVAV ) er i frontlinjen av de avanserte selvmord‑dronene som allerede er tatt i bruk av det amerikanske militæret, Switchblade‑loitering‑ammunisjon (loitering refererer til dronens/missilens evne til å sveve i et område en stund og lete etter mål, i stedet for direkte angrep‑modus for en missil).

Kilde: AeroVironment

AeroVironment tilbyr også militære rekognoscerings‑droner, 2,2 kg taktiske droner for infanteri, Nano Air Vehicle, liten nok til å holdes i én hånd, og high‑altitude pseudo‑satellitt (HAPS) sol‑glidere.

På bakken brukes ubemannede bakkekjøretøy (UGV) til minerydding, fjerning av IED‑er (Improvised Explosive Devices), SWAT‑operasjoner og håndtering av farlige materialer.

Kilde: AeroVironment

Selskapet bidro også til Ingenuity Mars‑helikopter‑prosjektet, noe som tidligere ble ansett som umulig i den tynne atmosfæren på den røde planeten.

AeroVironment kan så integrere alle disse systemene i en sammenhengende AI‑forsterket felleskontroll, som samler alle autonome systemer og relevant data.

Kilde: AeroVironment

Loitering‑ammunisjonen er det største segmentet ($5 milliarder total adresserbar marked – TAM) og vokser raskt. Totalt økte selskapet sine inntekter med 40 % i 2023 og forventer å holde dobbelt‑sifret inntektsvekst i regnskapsåret 2025.

AeroVironment fusjonerte i november 2024 med BlueHalo i en aksjebasert transaksjon med en bedriftsverdi på omtrent $4,1 milliarder, nesten samme markedsverdi som AeroVironments. AeroVironments aksjonærer eier nå ~60,5 %, og BlueHalos aksjonærer vil eie ~39,5 % av det sammenslåtte selskapet.

BlueHalo tilfører selskapet komplementære forsvarsrelaterte aktiviteter:

• Romkommunikasjon.
• Direkte energivåpen og elektronisk krigføring mot droner.
• Maritime droner.
• AI‑verktøy for kontroll av dronestammer og forsvar mot fiendtlige sværmer.

Det nyfusjonerte selskapet vil sannsynligvis bli en stadig større forsvarsleverandør for fremtidige militære dronestammer.

Siste nyheter og utviklinger for AeroVironment (AVAV) aksjer