Vliegende drones opladen met een laserstraal: is het accuprobleem opgelost?

Nooit meer landen om op te laden of een accu te wisselen: onderzoekers hebben een manier bedacht om drones tijdens de vlucht bij te laden door een laserstraal op de vleugels te richten. Draadloos opladen kennen we al van onze telefoon en smartwatch. Nu verplaatsen wetenschappers die techniek naar het luchtruim.

Chinese onderzoekers hebben een lichtgewicht ontvanger ontwikkeld, gebaseerd op het ontwerp van een zonnecel. Het apparaatje vangt energie op uit een laserstraal en zet die om in elektriciteit. Om oververhitting te voorkomen, zit de ontvanger op de vleugels van de drone en is speciale hittewerende technologie gebruikt. Zo kan de ontvanger een groter deel van de laserenergie omzetten in bruikbare stroom.

“Stel je een toekomst voor waarin drones die bossen inspecteren, rampen monitoren of pakketjes bezorgen niet steeds meer hoeven te landen om hun accu te vervangen”, zegt hoofdonderzoeker Jianhua Han van de Civil Aviation University of China. “Drones voeren steeds langere missies uit en accuduur is een van de grootste obstakels geworden.”

Zonnecel, maar dan voor laserlicht

De technologie draait allemaal om het zogeheten perovskiet-laser-thermo-elektrisch tandemapparaat (PLC-TE): een soort zonnecel die niet is geoptimaliseerd voor zonlicht, maar specifiek voor laserlicht. De perovskietlaag zet de laserenergie om in elektriciteit, terwijl de thermo-elektrische laag energie opvangt die anders als warmte verloren zou gaan. Hoe groter het temperatuurverschil tussen de koele kant en de warme kant, die gericht is op de laser, hoe meer stroom de thermo-elektrische laag opwekt.

Een probleem is wel dat de krachtige lasers het apparaat ook flink verhitten, wat ten koste gaat van de efficiëntie. “Toen we het apparaat testten onder een krachtige laser, liet de warmtebeeldcamera temperaturen zien van 80 tot 90 graden Celsius”, vertelt Han. “Dat was veel hoger dan we hadden verwacht. Het maakt duidelijk dat warmteopbouw een veel groter probleem was dan we ons hadden voorgesteld.”

Nanokristallen als hittebarrière

Om te voorkomen dat het apparaat door dit proces oververhit raakt, brengen ze speciale nanokristallen aan in het PLC-TE-tandemapparaat. Deze kristallen geleiden warmte slecht en fungeren zo als een soort thermische barrière: ze vertragen de warmtestroom en helpen het apparaat zijn prestaties te behouden, ook bij langdurige blootstelling aan de laser.

Onder een groene laser wist het systeem 38,49 procent van de binnenkomende energie om te zetten in elektriciteit. Een spectaculair resultaat. We spreken hier over een van de hoogste rendementen die ooit voor dit type technologie onder vergelijkbare omstandigheden is bereikt.

Leestip: Deze robotvogel laat zien hoe drones beter tegen turbulentie kunnen

Propeller draait op laserlicht

Als proof of concept bouwde het team het apparaat onder de vleugel van een stilstaand dronemodel, met speciaal uitgesneden luchtkanalen in de vleugel. Zodra ze een groene laser op het apparaat richtten, kwam de propeller van het model tot blijdschap van de Chinezen ook daadwerkelijk in beweging. De luchtstroom zorgde bovendien voor extra koeling aan de koude kant van de thermo-elektrische laag, wat de prestaties van het apparaat nog verder verbeterde.

“Eerdere studies richtten zich vooral op de materialen of het apparaat zelf”, legt Han uit. “Wij wilden verder kijken dan het laboratorium: hoe kunnen we dit systeem daadwerkelijk in een vliegtuig integreren, koelen tijdens gebruik en verenigbaar maken met het vliegen? Het is een zoektocht naar het geschikte materiaal, maar tegelijk ook een zoektocht naar de optimale technische uitvoering.”

De eerste testvlucht

Maar we zijn er nog lang niet, het apparaat moet zijn eerste echte testvlucht nog maken. De volgende test vindt plaats aan boord van een lichtgewicht drone, om te bewijzen dat het systeem ook betrouwbaar werkt in de buitenlucht. Het team moet ook nog uitzoeken hoe ze bewegende drones nauwkeurig met een laserstraal kunnen volgen en hoe ze de veiligheid van de technologie kunnen waarborgen.

“Ons werk laat zien dat het mogelijk is om vliegtuigen bij te tanken met licht”, besluit Han. “Om van één werkend prototype naar honderd te gaan, moeten we nog veel technische uitdagingen overwinnen. Maar we zijn vol goede moed dat deze studie een mooi startpunt biedt voor verdere ontwikkeling.”

Wil je niets van Scientias missen? Voeg Scientias toe als voorkeursbron op Google dan zie je al onze verhalen!

Uitgelezen? Luister ook eens naar de Scientias Podcast: