El avance de la transmisión de potencia inalámbrica láser podría transformar la entrega de energía remota

NTT Inc. y Mitsubishi Heavy Industries Ltd. (MHI) realizaron un experimento de transmisión de potencia inalámbrica óptica usando un haz láser para transmitir energía de forma inalámbrica a una distancia de un kilómetro. Al irradiar un rayo láser con una potencia óptica de 1 kW, el equipo logró recibir 152 W de energía eléctrica. Esto marca la mayor eficiencia del mundo de una transmisión de potencia inalámbrica óptica (Figura 1) utilizando un elemento de conversión fotoeléctrica de silicio en un entorno con una fuerte turbulencia atmosférica.

El resultado demuestra la viabilidad de entregar potencia a sitios distantes. En el futuro, se espera que se aplique a la transmisión de energía a pedido a islas remotas y áreas afectadas por desastres donde no se pueden instalar cables de alimentación. Este logro fue publicado en la revista British Letras electrónicas el 5 de agosto de 2025.

Sistemas de transmisión de potencia inalámbrica

En los últimos años, las tecnologías de transmisión de energía inalámbrica para dispositivos como teléfonos inteligentes, dispositivos portátiles, drones y vehículos eléctricos, que pueden suministrar electricidad sin usar cables, han atraído una atención cada vez mayor. Hay dos tipos de sistemas de transmisión de potencia inalámbrica: uno usa microondas y el otro usa vigas láser. La transmisión de potencia inalámbrica de microondas ya está en uso práctico y su uso se está expandiendo. Por otro lado, la transmisión de potencia inalámbrica óptica utilizando vigas láser no se ha puesto en uso práctico, pero se espera que realice una transmisión de potencia inalámbrica de larga distancia compacta en el orden de los kilómetros al aprovechar la alta directividad de la tecnología de haz láser.

Las perspectivas futuras imaginan el desarrollo de la infraestructura de próxima generación capaz de suministrar energía y expansión de cobertura de comunicación en situaciones y regiones donde las redes de electricidad o comunicación no están disponibles, como durante los desastres, en islas remotas, áreas montañosas o en el mar. Esto incluye entregar energía con precisión a áreas específicas o plataformas móviles como drones. Lograr una entrega de potencia tan precisa y de larga distancia requiere una transmisión de energía inalámbrica basada en láser que aproveche su fuerte direccionalidad.

Desafíos y logros tecnológicos existentes de este experimento

La eficiencia de la tecnología de transmisión de potencia inalámbrica óptica es generalmente baja, y la mejora de la eficiencia es un problema para el uso práctico. Una de las razones de esto es que cuando un haz láser de larga distancia se propaga, especialmente en la atmósfera, la distribución de intensidad se vuelve desigual, y la eficiencia de convertir el haz de láser en energía eléctrica en el elemento de conversión fotoeléctrica se vuelve baja.

En este experimento, los investigadores combinaron la tecnología de forma de haz de NTT con la tecnología de recuperación de la luz de MHI para mejorar la eficiencia de la transmisión de potencia inalámbrica láser. El equipo realizó un experimento de transmisión de potencia inalámbrica óptica de larga distancia en un entorno al aire libre utilizando tecnología de forma de haz plano de larga distancia que dio forma al haz en el lado de la transmisión para lograr una intensidad de haz uniforme después de una propagación de un kilómetro y una tecnología de nivelación de corriente de salida que suprime la influencia de las fluctuaciones atmosféricas con un homogeneizador y circulaciones niveladas en el lado receptor.

De enero a febrero de 2025, MHI realizó un experimento de transmisión de potencia inalámbrica óptica en una pista en el aeropuerto de Nanki-Shirahama en la ciudad de Shirahama, distrito de Nishimuro, prefectura de Wakayama (Figura 2). Se instaló una cabina de transmisión equipada con un sistema óptico para emitir el rayo láser en un extremo de la pista, y se colocó una cabina de recepción que contenía un panel de recepción de luz a un kilómetro de distancia.

Durante la transmisión, el eje óptico del láser se colocó a una baja altura de aproximadamente un metro sobre el suelo y se alineó horizontalmente. Como resultado, el haz se vio fuertemente afectado por el calentamiento por tierra y el viento, y el experimento se realizó en condiciones con una fuerte turbulencia atmosférica.

Dentro de la cabina de transmisión, se generó un haz láser con una potencia óptica de 1.035 W. Usando un elemento óptico difractivo (DOE), el haz se formó para crear una distribución de intensidad uniforme a una distancia de un kilómetro. Además, se usó un espejo de dirección del haz para dirigir con precisión el haz en forma hacia el panel receptor. El haz salió a través de la abertura de la cabina de transmisión y se propagó a través de un kilómetro de espacio abierto, llegando a la cabina de recepción.

Durante la propagación, la turbulencia atmosférica causó fluctuaciones en la intensidad del haz, creando puntos calientes. Estos fueron difundidos por un homogeneizador en la cabina de recepción, lo que resultó en un haz uniforme irradiado en el panel receptor. El haz láser se convirtió eficientemente en energía eléctrica (Figura 3). Se adoptó un elemento de conversión fotoeléctrica basado en silicio para el panel de recepción, teniendo en cuenta tanto el costo como la disponibilidad.

En este experimento, la potencia eléctrica promedio extraída del panel receptor fue de 152 W (Figura 4), correspondiente a una eficiencia de transmisión de potencia inalámbrica del 15%, definida como la relación entre la potencia eléctrica recibida a la potencia óptica transmitida. Este resultado marca la eficiencia de transmisión de potencia inalámbrica óptica más alta del mundo jamás demostrada utilizando un elemento de conversión fotoeléctrica a base de silicio en condiciones de fuerte turbulencia atmosférica. Además, la entrega de energía continua se mantuvo con éxito durante 30 minutos, confirmando la viabilidad de la transmisión de energía de larga duración utilizando esta tecnología.

Desde una perspectiva de seguridad, el sistema de transmisión óptica y el panel receptor se instalaron dentro de las cabinas para evitar la exposición accidental a las vigas láser de alta potencia y la dispersión de la luz reflejada.

Lo más destacado técnico

Tecnología de modelado de haz plano de larga distancia. Para mejorar la eficiencia de conversión fotoeléctrica, es necesario hacer que la distribución de intensidad del incidente del haz en el elemento de conversión fotoeléctrica sea uniforme. En este estudio, MHI propuso un método de modelado de haz que permite la uniformidad de la intensidad después de la propagación de larga distancia. En este enfoque, la parte externa del haz se transforma en un patrón en forma de anillo utilizando el efecto de una lente aticina. La parte central del haz está modulada en fase para expandirse a través del efecto de una lente cóncava. A medida que el haz se propaga, el haz en forma de anillo y el haz central expandido se superponen gradualmente, lo que resulta en una distribución de intensidad uniforme en la ubicación objetivo, como se muestra en la Figura 5.

Para el experimento, MHI optimizó el diseño del haz para lograr el perfil de intensidad deseado a una distancia de un kilómetro. La conformación del haz se implementó utilizando un elemento óptico difractivo, que mejoró la uniformidad de la intensidad del haz en la posición objetivo ubicada a un kilómetro de distancia.

Tecnología de nivelación de corriente de salida. A medida que el haz láser se propaga a través de la atmósfera, se ve afectado por la turbulencia atmosférica, que perturba la distribución de intensidad. Aunque la técnica de conformación de haz plano descrita anteriormente puede hacer que la distribución de intensidad sea más uniforme, la turbulencia fuerte aún puede causar la formación de puntos de alta intensidad, como se muestra en la Figura 6.

Para abordar este problema, MHI colocó un homogeneizador de haz frente al panel de recepción de luz. El homogeneizador difundió los puntos de alta intensidad para que el haz fuera uniformemente irradiado en el panel. Además, los circuitos de nivelación se conectaron a cada elemento de conversión fotoeléctrica en el panel receptor. Estos circuitos ayudaron a suprimir las fluctuaciones en la corriente de salida causadas por la turbulencia atmosférica y contribuyeron a una potencia general más estabilizada.

Estas dos tecnologías permiten lograr la uniformidad del haz en la transmisión de orden de kilómetro, lo que fue difícil con los métodos convencionales de conformación del haz y estabilizar la salida en entornos al aire libre. Como resultado, se espera que la fuente de alimentación estable a ubicaciones remotas, como islas aisladas y áreas afectadas por desastres, se vuelva factible.

Roles de la empresa y el camino a seguir

NTT se centró en el diseño e implementación de ópticas de transmisión, como técnicas de forma de haz. Mientras tanto, MHI gestionó el diseño e implementación de ópticas fotodetectores, como paneles fotodetores, homogenizadores y circuitos de nivelación.

Esta tecnología permite la transmisión de energía eficiente y estable a largas distancias incluso bajo turbulencia atmosférica. En este experimento, el silicio se usó como elemento de conversión fotovoltaica. Sin embargo, al emplear dispositivos fotovoltaicos diseñados específicamente para que coincidan con la longitud de onda de la luz láser, se puede esperar incluso una mayor eficiencia de transferencia de potencia. Además, el uso de fuentes de luz láser con mayor potencia de salida permitiría suministrar mayores cantidades de electricidad.

Como resultado, se puede lograr una entrega de potencia flexible y rápida en áreas remotas como regiones afectadas por desastre y islas remotas, donde la instalación de cables de energía ha sido tradicionalmente difícil. Más allá de las aplicaciones terrestres, también se puede imaginar una amplia gama de nuevos casos de uso en función de esta tecnología (Figura 7). En particular, la alta directividad y la baja divergencia de los haces láser permiten el diseño de dispositivos receptores compactos y livianos. Esta es una gran ventaja para las plataformas móviles que enfrentan limitaciones estrictas en el peso y la capacidad de carga útil.

Por ejemplo, al combinar esta tecnología con técnicas de dirección del haz, es posible entregar energía de forma inalámbrica a los drones en vuelo. Esto evita las restricciones operativas, como el aterrizaje para el reemplazo de la batería o el uso de cables de fuente de alimentación atados, lo que permite una operación continua de larga duración y larga distancia. Dichas capacidades pueden mejorar el monitoreo del área de desastres, así como el relé de comunicación de área amplia en regiones montañosas o marítimas, aplicaciones que anteriormente eran difíciles de realizar.

Además, se anticipan aplicaciones potenciales en el espacio, incluida la entrega de energía a plataformas móviles como HAPS (estación de plataforma de alta altitud), que se encuentra dentro del alcance de la marca espacial de NTT, NTT C89. Mirando más adelante, la tecnología podría aplicarse a los centros de datos del espacio de energía y los rovers lunar, así como a los sistemas espaciales de energía solar en los que se transmite electricidad desde satélites geoestacionarios hasta el suelo a través de láser. Estas aplicaciones representan áreas con un fuerte potencial para la expansión del mercado.

A través de la colaboración entre NTT y MHI, las compañías se han dado cuenta de la tecnología de transferencia de potencia láser más eficiente del mundo en condiciones fuertemente afectadas por fluctuaciones atmosféricas. Este logro representa un paso significativo hacia la construcción de una base tecnológica innovadora que puede satisfacer una amplia gama de necesidades sociales, desde la respuesta a desastres hasta el desarrollo del espacio.

–FUERZA editó este contenido, que fue contribuido por MHI.