POWER – Beständig optisk trådlös energirelä

Trådlös energi

Sedan uppfinningen av elektriska apparater har idén om trådlös energitransmission varit industrins slutmål. Detta skulle minska behovet av dyr och ofta skör infrastruktur som kraftkablar.

Det har dock hittills varit en svår uppgift, eftersom tekniken för trådlös energitransmission på långa avstånd fortfarande är i sin linda.

Det har förändrats tack vare ett nytt projekt av DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency), den intelligens‑vetenskap‑militära myndigheten som ansvarar för att utforska och testa banbrytande ny teknik. Projektet, kallat POWER (Persistent Optical Wireless Energy Relay), har uppnått energileverans på 8,6 kilometer (5,3 miles) bort.

“Det är utan tvekan att vi fullständigt överträffade alla tidigare rapporterade demonstrationer av optisk kraftstrålning när det gäller kraft och avstånd,”
Paul Jaffe – POWER programchef

Detta är bara det första steget i en teknik som kan radikalt förändra hur energi överförs, både för civila och militära tillämpningar.

Trådlös energitransfer

Induktion

Trådlös energitransfer blir en relativt välbehärskad teknik, men bara för korta avstånd. Detta görs vanligtvis med induktion, där ett magnetfält överför energin och den omvandlas tillbaka till en elektrisk ström.

Källa: How2Electronics

Problemet är att denna typ av energitransmission bara fungerar över korta avstånd, idealiskt mindre än en meter, vilket gör den oanvändbar för någon långdistansenergiöverföring.

Laser

För att överföra energi över långa avstånd i luften är laser ett mer sannolikt alternativ, eftersom koherent ljus kan färdas långa sträckor med minimal förlust, så länge väderförhållandena tillåter.

Det förväntas att laserbaserad energitransmission är minst effektiv nära marken, eftersom atmosfären är tjockare på denna höjd. Ändå var detta förhållandet under vilket PRAD‑enheten (POWER Receiver Array Demo) testades.

“Det är mycket enklare att skicka en kraftstråle rakt upp eller ner i förhållande till marken eftersom det finns mycket mindre atmosfär att kämpa igenom. För PRAD ville vi testa under maximal påverkan av atmosfäriska effekter.”
Paul Jaffe – POWER programchef

Kanske ännu viktigare är att laserljus också relativt enkelt kan reflekteras av speglar, vilket möjliggör en flerpunktsrelä med minimal förlust. Detta kan hjälpa till att överföra energi över ännu längre avstånd och kringgå hinder som bergskedjor eller jordens krökning, tack vare flygande reläer.

Källa: DARPA

POWER & PRAD:s initiala resultat

Forskarteamet registrerade mer än 800 watt levererad kraft under en 30‑sekunders överföring från en laser på 8,6 kilometer (5,3 miles) bort.

Under testkampanjen överfördes mer än en megajoule energi. Detta är fortfarande långt ifrån motsvarigheten till att överföra flytande bränsle som olja, då en gallon diesel motsvarar 146 megajoule.

Ändå är det ett stort framsteg jämfört med tidigare försök med trådlös energitransmission, både i avstånd och total kraft, då de tidigare bästa resultaten bara var 500 watt och maximalt 1,7 kilometer.

Källa: DARPA

Innovativ mottagare

Att skapa en kraftfull energistråle med laser är en välkänd teknik. Att sända den energin genom luften, eller till och med reflektera den med en spegel eller optiska system, är också en relativt enkel uppgift.

Att omvandla laserljuset tillbaka till användbar elektrisk kraft är den svåra delen, särskilt eftersom den måste minimera förluster så mycket som möjligt.

PRAD använde en ny mottagarteknik med en kompakt öppning för laserstrålen att träda in i, vilket säkerställer att mycket lite ljus läcker ut när det har kommit in i mottagaren.

Källa: DARPA

Inuti mottagaren sprider en paraboliskt spegel laserstrålen i en bredare kon, reflekterar laserstrålen på dussintals fotovoltaiska celler (solpaneler) och omvandlar ljuset tillbaka till kraft.

Mottagaren designades av Teravec Technologies, med stöd från Packet Digital och Rochester Institute of Technology.

Militära och civila tillämpningar av trådlös energi

Militär

Som det ser ut nu verkar teknikens tillämpningar främst vara militära, vilket förklarar DARPA:s engagemang. Det beror på att militära operationer kan möta många situationer där det är farligt eller till och med omöjligt att transportera energi till en viss plats.

“Dessa tester markerar ett viktigt steg mot POWER‑programmets långsiktiga mål att kunna omedelbart stråla kraft från en plats där den enkelt kan genereras till var den än behövs, vilket öppnar ett nytt designutrymme för plattformsförmågor utan begränsningar av bränsle.”

Tekniken kan skalas upp till högre effektnivåer och kan integreras i olika plattformar, såsom obemannade luftfarkoster (UAV), för att stödja POWER‑programmets långsiktiga behov.

En annan anledning till det huvudsakligen militära fokuset är att energikapaciteten i hela systemet fortfarande är låg.

Den avgörande delen är att omvandlingen av elektricitet till en laserstråle inte är utan förluster, med en konvertering som vanligtvis ligger kring 50 % effektivitet, potentiellt upp till 75 % vid mycket låga temperaturer.

Att omvandla den laserstrålen tillbaka till kraft kommer sannolikt också att ligga under 50 % effektivitet, även med mycket högpresterande solceller.

Så även om det kan vara meningsfullt att hålla drönare i luften eller förse militär utrustning, kommer system som POWER fortfarande att slösa 50–80 % av den ursprungliga energin.

I detta test, där avståndet var fokus och inte effektiviteten, mätte teamet en effektivitet på mer än 20 % från den optiska kraften från lasern till den elektriska kraften från mottagaren på kortare avstånd.

Denna typ av ineffektivitet är inte ett hinder för militären, eftersom de nuvarande alternativen inte är mycket bättre.

“USA:s flygvapenkolonel Paul Calhoun noterade att han brukade flyga tankfartyg med bränsle till destinationer, och i processen brände hundratusentals pund bränsle för att leverera tusentals pund bränsle.

Så uppenbart är vårt nuvarande paradigm extraordinärt ineffektivt.

Paul Jaffe – POWER programchef

Så om lufttankning idag bara är 1 % effektiv, är POWER:s 20 % effektivitet definitivt en förbättring.

Energitransfer

På grund av dessa begränsningar, samt den totala mängden energi som POWER kan överföra, är det osannolikt att denna metod kommer att ersätta högspänningskraftledningar inom kort.

Detta koncept kan dock implementeras på ett annat sätt för att driva energinätet. Energiförlusten är bara ett problem om ursprungspunkten inte är så energirik att det är irrelevant.

Om vi kan bemästra massproduktion och utrullning av solenergisatelliter, skulle den 24/7‑produktion av energi från solstrålarna i omloppsbana, utan atmosfärens hinder, vara en tiopotens mer effektiv än solpaneler på ytan. I det sammanhanget skulle återstrålning av energi, antingen med laser eller mikrovågor, fortfarande kunna vara tillräckligt effektivt för att vara ekonomiskt hållbart.

POWER fas 2 och 3

Nu när prototypen för kraftöverföring har visat sig vara livskraftig, följer praktiska tester.

Fas 2 kommer att integrera reläteknologierna i kapslar som transporteras på konventionella flygplan, vilket kulminerar i lågkraftiga flygtester.

I en senare och slutgiltig fas 3 är målet att en laser i en markanläggning ska stråla 10 kilowatt kraft till en markmottagare horisontellt 200 kilometer bort med hjälp av tre luftburna reläer.

Detta skulle demonstrera att vi kommer att ha ett sätt att leverera energi över mycket långa avstånd till platser som annars skulle vara svåra att nå.
Paul Jaffe – POWER programchef

Slutsats

POWER har uppnått en nivå av kraftöverföringseffektivitet som gör det till ett livskraftigt alternativ för att överföra energi till militär utrustning över långa avstånd, vilket gör det mer effektivt än befintliga mellanluftstankningsalternativ.

Det kommer att vara ett bra alternativ för luftburen militär utrustning som är mindre än flygplan, särskilt drönare, som snabbt blir en mycket viktig del av de militära arsenalerna världen över, vilket kriget i Ukraina visar.

Försörjning av markenheter som är utplacerade framåt och eventuellt avskurna från försörjning kommer också att gynnas av sådan kraftöverföring, inklusive markbaserade drönare.

Detta projekt kommer inte direkt att påverka utsikterna för orbital solenergi, men det visar att långdistansenergiöverföring inte längre är en dröm.

Drontillverkare som drar nytta av trådlös energitransfer

AeroVironment Inc.

Om trådlös energitransmission blir vanligt inom den amerikanska militären kommer det radikalt att öka användningen av drönare, ännu mer än vad som för närvarande planeras. Så framgången för POWER‑projektet kommer sannolikt att gynna de företag som redan levererar militära drönare till USA.

AeroVironment är i framkant av de avancerade självmordsdrönarna som redan har satts in av den amerikanska militären, the Switchblade loitering ammunition (loitering avser drönarens/missilens förmåga att sväva i ett område en stund och leta efter sitt mål, istället för ett direkt attackläge för en missil).

Källa: AeroVironment

AeroVironment erbjuder även militära reconnaissance drones, 2.2kg taktiska drönare för infanteri, the Nano Air Vehicle, tillräckligt liten för att hållas i en hand, samt high-altitude pseudo-satellite (HAPS) solglidare.

På marken används obemannade markfordon (UGV) för minröjning, borttagning av IED (Improvised Explosive Devices), SWAT‑operationer och hantering av farliga material.

Källa: AeroVironment

Företaget bidrog även till Ingenuity Mars‑helikopterprojektet, något som tidigare ansågs omöjligt i den tunna atmosfären på den röda planeten.

AeroVironment kan sedan integrera alla dessa system i en sammanhängande AI‑förstärkt gemensam styrning, som samlar alla autonoma system och relevant data.

Källa: AeroVironment

Den loiterande ammunitionen är den största segmentet ($5 bn total adresserbar marknad – TAM) och växer snabbt. Sammantaget ökade företaget sina intäkter med 40 % år 2023 och förväntar sig fortsatt tvåsiffrig intäktstillväxt under räkenskapsåret 2025.

AeroVironment gick samman i november 2024 med BlueHalo i en aktie‑för‑aktie‑transaktion med ett företagsvärde på cirka 4,1 miljarder dollar, nästan samma börsvärde som AeroVironments. AeroVironments aktieägare äger nu ~60,5 % och BlueHalos aktieägare kommer att äga ~39,5 % av det sammanslagna företaget.

• Rymkommunikation.
• Direkta energivapen och elektroniska krigföringssystem mot drönare.
• Maritima drönare.
• AI‑verktyg för drönarsvärmskontroll och försvar mot fiendens svärmar.

Det nybildade företaget kommer sannolikt att bli en allt större försvarskontraktör för framtida militära drönarsvärmar.

Senaste AeroVironment (AVAV) aktienyheter och utvecklingar