Дрони можуть отримати спосіб заряджатися просто в повітрі. Китайські дослідники створили незвичайний приймач, який здатен перетворювати енергію лазерного променя на електрику, а ще й використовувати тепло, що виникає під час цього процесу.
У лабораторних випробуваннях пристрій перетворив 38,49% енергії зеленого лазера на електроенергію. Цього вистачило, щоб стабільно обертати невеликий пропелер. Звучить майже як фантастика: лазер спрямовують на дрон із землі, а той продовжує працювати, не сідаючи для заміни чи заряджання батареї. Але головна проблема такої системи ховалася зовсім не в лазері.
Лазер живить дрон — і водночас перегріває його
Коли потужний лазер потрапляє на приймач, частина енергії перетворюється на тепло. Через це фотоелемент нагрівається і починає працювати менш ефективно. Під час експериментів температура поверхні приймача під потужним лазером сягала 80–90 °C. Дослідники зрозуміли, що просто відводити це тепло — не найкраща ідея. Вони вирішили зробити навпаки: перетворити тепло на додаткову електроенергію.
Для цього під світлочутливим шаром встановили термоелектричний модуль із телуриду вісмуту. Він виробляє електричну напругу, коли його дві сторони мають різну температуру. Таким чином пристрій почав отримувати енергію одразу з двох джерел — від лазерного світла та від тепла, яке сам лазер створює.
Маленькі нанострижні дали великий ефект
Дослідники також додали в конструкцію нанострижні з селеніду сурми. Вони одночасно допомагають контролювати рух тепла та ефективно проводити електричний заряд. Результат виявився помітним. Без нанострижнів ефективність перетворення становила близько 34,65%, а після їх додавання зросла до 38,49%.
Напруга теж збільшилася — з 2,41 до 2,52 вольта. Але ще важливіше те, що система стала працювати стабільніше.
Під час випробувань звичайний фотоелемент дозволив пропелеру обертатися приблизно зі швидкістю 5260 обертів за хвилину, але через деякий час швидкість почала коливатися. З термоелектричним модулем показник зріс приблизно до 7660 об/хв, а з нанострижнями — до 7820 об/хв, причому швидкість залишалася стабільною протягом тесту. Для дрона це може бути важливішим за сам максимальний показник потужності.
Дослідники вже думають про реальний політ
Щоб наблизити експеримент до практичного використання, приймач інтегрували прямо в крило. Усередині створили спеціальний повітряний канал із ребрами, через який проходить повітря.
У лабораторній моделі вентилятор імітував повітряний потік під час польоту. За розрахунками дослідників, така система дозволила охолодити одну зі сторін термоелектричного модуля приблизно з 31,6 °C до 24 °C. Це збільшило різницю температур, необхідну для вироблення додаткової електроенергії. Тобто крило в цьому випадку виконує одразу кілька функцій — створює підйомну силу, охолоджує систему та допомагає отримувати більше енергії від лазера.
Чи зможуть дрони справді літати на лазері?
Поки що — ні. І це важливе уточнення. Усі випробування проводилися на нерухомій моделі, а лазер залишався спрямованим в одну точку. Реальний дрон створить набагато складніші умови: він рухатиметься, змінюватиме положення, потраплятиме в турбулентність, а лазер потрібно буде постійно точно на нього наводити.
Є й питання безпеки та довговічності самого фотоелемента. Використані перовскітні матеріали можуть поступово деградувати через нагрівання та вологу, а нинішні випробування тривали лише хвилини. Наступний крок команди — встановити систему на легкий дрон і перевірити її вже просто неба.
Якщо ці випробування будуть успішними, технологія може відкрити шлях до дронів, здатних значно довше залишатися в повітрі — наприклад, під час спостереження за лісами, ліквідації наслідків катастроф, доставки вантажів або моніторингу великих територій. Можливо, у майбутньому дрону для багатогодинного польоту знадобиться не більша батарея, а лазер, який постійно тримає його в енергетичному «повідку» із землі.