Дроны с лазерной подзарядкой в полёте: разработка китайских учёных

Учёные из Китая представили крыльевой приёмник для дронов, который позволяет подзаряжаться от наземного лазера прямо во время полёта. Система использует зелёный лазер и комбинирует несколько способов преобразования энергии, что обещает новый шаг в развитии беспилотной авиации.

Китайские исследователи из университета гражданской авиации разработали устройство, которое позволяет дронам подзаряжаться от лазера, не прерывая полёт. Этот прорыв может радикально изменить представление о времени автономной работы беспилотников, которые сегодня вынуждены возвращаться на базу для подзарядки. Новая технология открывает путь к практически неограниченному времени нахождения в воздухе, что особенно важно для мониторинга, доставки и других длительных задач.

Крыльевой приёмник: как это работает

Разработка представляет собой специальный приёмник, встроенный в крыло дрона. Он улавливает лазерный луч, направляемый с наземной станции, и преобразует его в электричество. Устройство использует зелёный лазер с длиной волны 532 нм, который эффективно поглощается фотоэлементами. В отличие от традиционных методов, где лазерная энергия преобразуется только одним способом, китайские учёные объединили несколько механизмов, что повышает общую эффективность системы.

Приёмник состоит из комбинации фотоэлектрических преобразователей и термоэлектрических элементов. Фотоэлементы напрямую превращают свет в электричество, а термоэлектрические модули используют тепло, выделяющееся при поглощении лазерного излучения, для дополнительной генерации энергии. Такой гибридный подход позволил достичь впечатляющей эффективности преобразования — до 55,5% в лабораторных условиях.

Предыстория и контекст

Идея лазерной подзарядки дронов не нова: подобные эксперименты проводились в США и Японии. Однако большинство предыдущих разработок имели серьёзные ограничения. Например, в 2019 году американская компания LaserMotive демонстрировала возможность питания дрона от наземного лазера, но лишь на коротких дистанциях и с низкой эффективностью. Китайская разработка отличается тем, что использует крыльевую конструкцию, которая не требует громоздких внешних модулей, а также комбинирует несколько способов преобразования энергии, что повышает надёжность и КПД.

Интерес к лазерной подзарядке растёт во всём мире, поскольку она может решить главную проблему беспилотной авиации — ограниченное время полёта. Традиционные аккумуляторы тяжёлые и имеют ограниченную ёмкость, а солнечные панели неэффективны в пасмурную погоду или в ночное время. Лазерная подзарядка позволяет передавать энергию на расстоянии, не требуя физического контакта, что делает её идеальной для непрерывной работы дронов.

Чем отличается от предыдущих разработок?

Главное отличие новой системы — в интеграции приёмника в крыло. Это снижает аэродинамическое сопротивление и не требует дополнительных внешних устройств, которые увеличивают вес и ухудшают характеристики полёта. Кроме того, использование зелёного лазера выбрано не случайно: этот диапазон длин волн лучше всего поглощается кремниевыми фотоэлементами, что повышает эффективность преобразования.

Ещё одна инновация — гибридное преобразование энергии. В то время как большинство существующих систем полагаются только на фотоэлектрические панели, китайские учёные добавили термоэлектрические модули, которые улавливают тепловую энергию, выделяющуюся при нагреве приёмника. Это позволяет использовать до 30% энергии, которая в противном случае терялась бы в виде тепла.

Технические подробности и цифры

В ходе испытаний дрон с крыльевым приёмником успешно парил в течение длительного времени, получая энергию от лазера с расстояния до 100 метров. Эффективность преобразования лазерной энергии в электричество составила 55,5%, что является одним из лучших показателей среди подобных разработок. Для сравнения, предыдущие аналогичные системы демонстрировали эффективность не выше 40%.

Приёмник имеет размеры 200 на 100 миллиметров и весит всего 250 граммов, что позволяет устанавливать его на дроны среднего размера. Встроенные фотоэлементы и термоэлектрические модули расположены в два слоя, что оптимизирует использование площади крыла. Устройство также оснащено системой охлаждения, которая предотвращает перегрев при длительной работе.

Кого затронет и как

Разработка может существенно повлиять на индустрию беспилотных летательных аппаратов. Для коммерческих операторов дронов, занимающихся доставкой грузов, мониторингом инфраструктуры или сельскохозяйственными работами, лазерная подзарядка означает возможность непрерывной работы без необходимости частых посадок для замены аккумуляторов. Это сократит эксплуатационные расходы и повысит производительность.

Для производителей дронов это открывает новые возможности для проектирования моделей с меньшими батареями, что снижает вес и увеличивает полезную нагрузку. Также технология может найти применение в военной сфере для длительных разведывательных миссий. В России и странах СНГ, где активно развиваются сервисы доставки дронами, такая технология может стать особенно актуальной из-за больших расстояний и сложных климатических условий.

Однако внедрение технологии сопряжено с рядом препятствий. Во-первых, лазерная подзарядка требует прямой видимости между станцией и дроном, что ограничивает применение в городских условиях с плотной застройкой. Во-вторых, безопасность лазерных лучей требует строгих мер контроля, чтобы избежать повреждения глаз или других объектов. В-третьих, стоимость оборудования пока высока, что делает технологию недоступной для массового использования.

Что будет дальше

Исследователи планируют продолжить работу над повышением эффективности системы и увеличением дальности передачи энергии. Они также работают над созданием автоматизированных лазерных станций, которые смогут отслеживать дрон и направлять луч с высокой точностью. В перспективе возможно создание сетей лазерных станций, обеспечивающих постоянную подзарядку дронов на больших территориях.

Ожидается, что первые коммерческие применения появятся в течение ближайших 5–10 лет. Ключевым фактором станет снижение стоимости компонентов и разработка стандартов безопасности. Если эти вопросы будут решены, лазерная подзарядка может стать стандартной функцией для многих типов беспилотников.

Итог

Китайские учёные сделали значительный шаг вперёд в области беспилотной авиации, создав эффективную систему лазерной подзарядки в полёте. Технология, основанная на гибридном преобразовании энергии, обещает решить главную проблему дронов — ограниченное время автономной работы. Хотя до массового внедрения ещё далеко, эта разработка демонстрирует, что будущее беспилотной авиации может быть практически безграничным. Следить за развитием этой технологии стоит всем, кто интересуется дронами и их применением.