Stel je voor dat je een luchthaven of supermarkt binnenloopt en je smartphone begint automatisch op te laden. Dit zou ooit werkelijkheid kunnen worden, dankzij een nieuw draadloos laseroplaadsysteem dat een aantal van de uitdagingen overwint die eerdere pogingen om veilige en handige oplaadsystemen voor onderweg te ontwikkelen, hebben belemmerd.

"De mogelijkheid om apparaten draadloos van stroom te voorzien, zou de noodzaak wegnemen om stroomkabels voor onze telefoons of tablets mee te nemen", zegt onderzoeksteamleider Jinyong Ha van de Sejong University in Zuid-Korea. "Het zou ook verschillende sensoren kunnen aansturen, zoals die in Internet of Things (IoT)-apparaten en sensoren die worden gebruikt voor het bewaken van processen in fabrieken."

In Optics Express , beschrijven de onderzoekers hun nieuwe systeem, dat infrarood licht gebruikt om hoge niveaus van vermogen veilig over te dragen. Laboratoriumtests toonden aan dat het 400 mW lichtvermogen over afstanden tot 30 meter kon overbrengen. Dit vermogen is voldoende voor het opladen van sensoren, en met verdere ontwikkeling zou het kunnen worden verhoogd tot het niveau dat nodig is om mobiele apparaten op te laden.

Er zijn verschillende technieken bestudeerd voor draadloze energieoverdracht over lange afstanden. Het was echter moeilijk om voldoende vermogen veilig over afstanden op meterniveau te verzenden. Om deze uitdaging het hoofd te bieden, hebben de onderzoekers een methode geoptimaliseerd die gedistribueerd laserladen wordt genoemd en die onlangs meer aandacht heeft gekregen voor deze toepassing omdat het veilige krachtige verlichting biedt met minder lichtverlies.

"Terwijl de meeste andere benaderingen vereisen dat het ontvangende apparaat zich in een speciaal laadstation bevindt of stilstaat, maakt gedistribueerd laserladen zelf-uitlijning mogelijk zonder volgprocessen, zolang de zender en ontvanger zich in elkaars zichtlijn bevinden," zei Ha. "Het schakelt ook automatisch over naar een veilige modus voor laag energieverbruik als een object of een persoon de gezichtslijn blokkeert."

De afstand afleggen

Gedistribueerd laserladen werkt enigszins als een traditionele laser, maar in plaats van dat de optische componenten van de laserholte in één apparaat worden geïntegreerd, zijn ze gescheiden in een zender en ontvanger. Wanneer de zender en ontvanger zich binnen een gezichtslijn bevinden, wordt er een laserholte tussen hen gevormd over de lucht - of vrije ruimte - waardoor het systeem op licht gebaseerd vermogen kan leveren. Als een obstakel de zichtlijn van zender en ontvanger verstoort, schakelt het systeem automatisch over naar een stroomveilige modus, waardoor een gevaarlijke stroomafgifte in de lucht wordt bereikt.

In het nieuwe systeem gebruikten de onderzoekers een met erbium gedoteerde vezelversterker optische krachtbron met een centrale golflengte van 1550 nm. Dit golflengtebereik bevindt zich in het veiligste deel van het spectrum en vormt bij het gebruikte vermogen geen gevaar voor menselijke ogen of huid. Een ander belangrijk onderdeel was een multiplexfilter met golflengteverdeling dat een smalbandige straal creëerde met optisch vermogen binnen de veiligheidslimieten voor verspreiding van vrije ruimte.

"In de ontvangereenheid hebben we een retroreflector met sferische bollens opgenomen om de uitlijning van zender en ontvanger over 360 graden te vergemakkelijken, wat de efficiëntie van de krachtoverdracht maximaliseerde", zei Ha. "We hebben experimenteel vastgesteld dat de algehele prestatie van het systeem afhing van de brekingsindex van de bollens, waarbij een brekingsindex van 2,003 het meest effectief was."

Laboratoriumtesten

Om het systeem te demonstreren, hebben de onderzoekers een afstand van 30 meter ingesteld tussen een zender en een ontvanger. De zender is gemaakt van de optische bron van de met erbium gedoteerde vezelversterker, en de ontvangereenheid bevatte een retroreflector, een fotovoltaïsche cel die het optische signaal omzet in elektrische stroom en een LED die oplicht wanneer stroom wordt geleverd. Deze ontvanger, die ongeveer 10 bij 10 millimeter groot is, zou gemakkelijk in apparaten en sensoren kunnen worden geïntegreerd.

De experimentele resultaten toonden aan dat een enkelkanaals draadloos optisch energieoverdrachtssysteem een ​​optisch vermogen van 400 mW kan leveren met een kanaallijnbreedte van 1 nm over een afstand van 30 meter. De fotovoltaïsche zette dit om naar een elektrisch vermogen van 85 mW. De onderzoekers toonden ook aan dat het systeem automatisch overschakelde naar een veilige krachtoverdrachtsmodus wanneer de gezichtslijn werd onderbroken door een menselijke hand. In deze modus produceerde de zender een licht met een ongelooflijk lage intensiteit dat geen enkel risico vormde voor mensen.

"Het gebruik van het laseroplaadsysteem om netsnoeren in fabrieken te vervangen, kan besparen op onderhouds- en vervangingskosten", zegt Ha. "Dit kan met name handig zijn in ruwe omgevingen waar elektrische verbindingen interferentie kunnen veroorzaken of brandgevaar kunnen opleveren."

Nu ze het systeem hebben gedemonstreerd, werken de onderzoekers eraan om het praktischer te maken. Zo zou de efficiëntie van de fotovoltaïsche cel kunnen worden verhoogd om licht beter om te zetten in elektrische stroom. Ze zijn ook van plan om een ​​manier te ontwikkelen om het systeem te gebruiken om meerdere ontvangers tegelijk op te laden. + Verder verkennen

Elektriciteit en data over-the-air:de gelijktijdige overdracht van 5G en stroom