Forskere bruger infrarødt lys til trådløst at overføre strøm over 30 meter

Forestil dig at gå ind i en lufthavn eller en købmand, og din smartphone begynder automatisk at oplade. Dette kan blive en realitet en dag, takket være et nyt trådløst laseropladningssystem, der overvinder nogle af de udfordringer, der har hindret tidligere forsøg på at udvikle sikre og bekvemme opladningssystemer på farten.

"Evnen til at forsyne enheder trådløst kunne eliminere behovet for at bære strømkabler rundt til vores telefoner eller tablets," sagde leder af forskningsteamet Jinyong Ha fra Sejong University i Sydkorea. "Det kan også drive forskellige sensorer, såsom dem i Internet of Things (IoT)-enheder og sensorer, der bruges til at overvåge processer i produktionsanlæg."

I Optics Express , beskriver forskerne deres nye system, som bruger infrarødt lys til sikkert at overføre høje niveauer af strøm. Laboratorietests viste, at den kunne overføre 400 mW lyseffekt over afstande på op til 30 meter. Denne effekt er tilstrækkelig til at oplade sensorer, og med yderligere udvikling kan den øges til niveauer, der er nødvendige for at oplade mobile enheder.

Adskillige teknikker er blevet undersøgt til trådløs strømoverførsel over lang rækkevidde. Det har dog været vanskeligt sikkert at sende nok strøm over afstande på meterniveau. For at overvinde denne udfordring optimerede forskerne en metode kaldet distribueret laseropladning, som for nylig har fået mere opmærksomhed for denne applikation, fordi den giver sikker højeffektbelysning med mindre lystab.

"Mens de fleste andre tilgange kræver, at modtagerenheden er i en speciel opladningsholder eller at den er stationær, muliggør distribueret laseropladning selvjustering uden sporingsprocesser, så længe senderen og modtageren er i hinandens synslinje," sagde Ha. "Den skifter også automatisk til en sikker lav strømforsyningstilstand, hvis en genstand eller en person blokerer synslinjen."

Gå langt

Distribueret laseropladning fungerer lidt som en traditionel laser, men i stedet for at de optiske komponenter i laserhulrummet er integreret i én enhed, er de adskilt i en sender og modtager. Når senderen og modtageren er inden for en synslinje, dannes der et laserhulrum mellem dem over luften - eller det frie rum - som gør det muligt for systemet at levere lysbaseret strøm. Hvis en forhindring skærer sender-modtagerens sigtelinje, skifter systemet automatisk til en strømsikker tilstand og opnår risikofri strømforsyning i luften.

I det nye system brugte forskerne en erbium-doteret fiberforstærker optisk strømkilde med en central bølgelængde på 1550 nm. Dette bølgelængdeområde er i det sikreste område af spektret og udgør ingen fare for menneskers øjne eller hud ved den anvendte effekt. En anden nøglekomponent var et bølgelængdedelingsmultiplekseringsfilter, der skabte en smalbåndsstråle med optisk effekt inden for sikkerhedsgrænserne for frirumsudbredelse.

"I modtagerenheden inkorporerede vi en sfærisk kuglelinse-retroreflektor for at lette 360-graders sender-modtager-justering, hvilket maksimerede effektoverførselseffektiviteten," sagde Ha. "Vi observerede eksperimentelt, at systemets samlede ydeevne afhang af brydningsindekset for kuglelinsen, hvor et brydningsindeks på 2.003 var det mest effektive."

Laboratorietest

For at demonstrere systemet opsatte forskerne en 30 meters afstand mellem en sender og en modtager. Senderen var lavet af den erbium-doterede fiberforstærker optiske kilde, og modtagerenheden indeholdt en retroreflektor, en fotovoltaisk celle, der konverterer det optiske signal til elektrisk strøm og en LED, der lyser, når der leveres strøm. Denne modtager, som er omkring 10 gange 10 millimeter, kunne nemt integreres i enheder og sensorer.

De eksperimentelle resultater viste, at et enkelt-kanals trådløst optisk kraftoverførselssystem kunne give en optisk effekt på 400 mW med en kanallinjebredde på 1 nm over en afstand på 30 meter. Solcelleanlægget konverterede dette til en elektrisk effekt på 85 mW. Forskerne viste også, at systemet automatisk skiftede til en sikker strømoverførselstilstand, når sigtelinjen blev afbrudt af en menneskelig hånd. I denne tilstand producerede senderen et lys med utrolig lav intensitet, som ikke udgjorde nogen risiko for mennesker.

"Brug af laseropladningssystemet til at erstatte strømkabler på fabrikker kan spare på vedligeholdelses- og udskiftningsomkostninger," sagde Ha. "Dette kan være særligt nyttigt i barske miljøer, hvor elektriske forbindelser kan forårsage interferens eller udgøre en brandfare."

Nu hvor de har demonstreret systemet, arbejder forskerne på at gøre det mere praktisk. For eksempel kunne solcellecellens effektivitet øges for bedre at omdanne lys til elektrisk strøm. De planlægger også at udvikle en måde at bruge systemet til at oplade flere modtagere samtidigt. + Udforsk yderligere

Elektricitet og data trådløst:Den samtidige transmission af 5G og strøm