Brug af diamanter til at genoplade civile droner under flyvning

En lille laboratoriedyrket diamant, der måler nogle få millimeter per side, kunne en dag gøre det muligt for civile droner at blive genopladet midt på flyvningen gennem en laser. Takket være diamanten, laserstrålen kan forblive stærk nok over en lang afstand til at genoplade fotovoltaiske celler på dronernes overflade. Dette system, som ikke udgør nogen trussel mod menneskers sundhed, udvikles af EPFL-spin-off LakeDiamond. Det kunne også bruges til at transmittere både strøm og data til satellitter og er netop blevet inkluderet i de ti projekter, der er støttet i to år af det schweiziske rumkontor.

Droner bliver brugt til et stigende antal formål. Deres designs bliver stadig mere effektive, og teknikker til at flyve dem bliver hele tiden yderligere forfinet. Men droner har stadig det samme svage punkt:deres batteri. Dette gælder især propeldroner, som er populære til informationsindsamlingsformål i farlige eller svært tilgængelige områder. Disse droner kan kun flyve i omkring 15 minutter ad gangen, fordi deres motorer hurtigt brænder igennem deres batterier. En måde at løse denne begrænsning på – uden at tynge dronerne ned – ville være at genoplade dem, mens de er i luften ved hjælp af et power beaming system:en energirig laserstråle, der styres af et sporingssystem og skinner direkte på solceller på dronernes ydre. .

Adskillige laboratorier rundt om i verden, herunder i USA, har arbejdet på denne idé de seneste år. LakeDiamond, en EPFL-spin-off baseret på Innovation Park, har nu demonstreret muligheden for at bruge en højeffektlaser til dette formål. Hvad mere er, LakeDiamonds laser udsender en bølgelængde, der ikke kan skade menneskelig hud eller øjne - spørgsmålet om sikkerhed er altafgørende, da systemet er beregnet til brug med civile droner. LakeDiamonds teknologi er bygget op omkring diamanter, der dyrkes i virksomhedens laboratorium og efterfølgende ætset på atomniveau.

Verdensrekord for magt

På trods af udseende, standard laserstråler er ikke så lige, som de ser ud:når de bevæger sig, de udvider sig lidt, fører til et tab i tæthed, mens de går. Men LakeDiamonds system producerer en laserstråle med en bølgelængde på 1,5 µm, der ud over at være sikker, kan rejse meget længere uden at miste kræfter. "Systemer udviklet af andre virksomheder og laboratorier, ofte til militære formål, anvende lasere, der er mere kraftfulde og dermed farligere for mennesker, " siger Pascal Gallo, direktør for LakeDiamond. Hans virksomhed tog den modsatte vej:deres teknologi forvandler strålerne, der udsendes af en simpel laveffektdiode, til en laserstråle af høj kvalitet. Deres bjælke har en større diameter, og dens stråler forbliver parallelle over en længere afstand - i dette tilfælde op til flere hundrede meter.

I LakeDiamonds laser, lyset produceret af en diode er rettet mod en booster sammensat af reflekterende materiale, en optisk komponent og en lille metalplade til at absorbere varmen. Gennembruddet ligger ikke i dette set-up, som allerede eksisterer, men med det faktum, at den udsendte stråle kun er et par snese watt stærk. Hemmeligheden er at bruge en lille firkantet lab-dyrket diamant som den optiske komponent, da dette giver uovertruffen ydeevne. LakeDiamonds system har verdensrekorden for kontinuerlig drift ved hjælp af en bølgelængde i midten af ​​det infrarøde område – det leverer mere end 30 watt i sin basiskonfiguration. "Det svarer til omkring 10, 000 laserpointere, " tilføjer Gallo.

De laboratoriedyrkede diamanters nøgleegenskaber omfatter høj gennemsigtighed og termisk ledningsevne. At opnå disse ting - og mestre nano-ætsningsprocessen - tog forskerne over ti års udvikling. LakeDiamond dyrker sine diamanter gennem en proces med kemisk dampaflejring, en tilgang, der sikrer deres renhed og reproducerbarhed. Overfladerne af de resulterende bittesmå firkantede diamanter bliver derefter skulptureret på nanoniveau ved hjælp af ekspertise udviklet i Niels Quacks laboratorium på EPFL. Takket være deres iboende egenskaber og ætsede former, diamanterne er i stand til at overføre varme til en lille metalplade, der spreder den, samtidig med at lyset reflekteres på en sådan måde, at der dannes en laserstråle.

"For at opnå større kraft - for eksempel at genoplade en større drone - kunne disse lasere nemt betjenes i serie, " siger Nicolas Malpiece, der er ansvarlig for power beaming ved LakeDiamond. Virksomhedens fjernopladningssystem fungerer i laboratoriet, men vil kræve yderligere udvikling og forfining, før det er klar til brug i marken. Hvad ville der ske, hvis en drone flyver bag en forhindring og bliver afskåret fra sin laserenergikilde? Flere tilgange til dette problem undersøges i øjeblikket. Et lille backup-batteri kan midlertidigt tage over, eller, til informationsindsamlingsmissioner over ujævnt terræn f.eks. dronen kunne simpelthen vende tilbage til laserens rækkevidde for at fylde batteriet op.

Dette energitransmissionssystem er også interessant til andre anvendelsesområder. Den kan for eksempel bruges til opladning og transmission af data til satellitter. Udviklingen af ​​systemet er inkluderet i et støtteprogram fra det schweiziske rumkontor, som begyndte 1. november og løber over to år.