TOKYO - 17 Eylül, 2025 -NTT, Inc. (Genel Merkez: Chiyoda, Tokyo; Başkan ve CEO: Akira Shimada; bundan sonra "NTT" olarak anılacaktır) ve Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. (Genel Merkez: Chiyoda, Tokyo; Başkan ve CEO: Eisaku Ito; bundan sonra "MHI" olarak anılacaktır), enerjiyi 1 kilometre uzağa kablosuz olarak iletmek için lazer ışınını kullanan bir optik kablosuz güç iletimi deneyi gerçekleştirdi. 1 kW optik güce sahip lazer ışınını ışınlayarak 1 kilometre uzaklıktan 152 W elektrik gücü almayı başardık. Bu, güçlü atmosferik türbülansın olduğu bir ortamda silikon fotoelektrik dönüştürme elemanı (Not2) kullanan optik kablosuz güç aktarımında dünyanın en yüksek verimliliğine işaret etmektedir.
Bu sonuç, uzak bölgelere güç sağlamanın fizibilitesini göstermektedir. Gelecekte, güç kablolarının kurulamadığı-uzak adalara ve felaketten- etkilenen bölgelere talep üzerine güç iletiminde uygulanması bekleniyor.
Bu başarı 5 Ağustos 2025'te İngiliz dergisi Electronics Letters'da yayınlandı.
Arka plan
Akıllı telefon, giyilebilir cihaz, drone, elektrikli araç gibi kablo kullanmadan elektrik sağlayabilen cihazlara yönelik kablosuz enerji aktarım teknolojileri son yıllarda giderek daha fazla ilgi görmeye başladı. İki tür kablosuz güç iletim sistemi vardır: biri mikrodalgaları kullanır, diğeri ise lazer ışınlarını kullanır. Mikrodalga kablosuz güç iletimi halihazırda pratik kullanımdadır ve kullanımı genişlemektedir. Öte yandan, lazer ışınını kullanan optik kablosuz güç iletimi henüz pratik kullanıma sunulmamıştır, ancak lazer ışınının yüksek yönlülüğünden yararlanılarak kilometrelerce kompakt uzun-mesafe kablosuz güç iletiminin gerçekleştirilmesi beklenmektedir (Şekil 1).
Gelecekteki beklentiler, afetler, uzak adalar, dağlık alanlar veya deniz gibi elektrik veya iletişim ağlarının mevcut olmadığı durum ve bölgelerde güç sağlama ve iletişim kapsama alanını genişletme kapasitesine sahip yeni-nesil altyapının geliştirilmesini öngörüyor. Bu, gücün belirli alanlara veya dronlar gibi hareketli platformlara hassas bir şekilde iletilmesini içerir. Bu kadar yüksek doğrulukta ve uzun mesafeli-güç dağıtımını başarmak, güçlü yönlülüğün avantajından yararlanan lazer-tabanlı kablosuz güç iletimini gerektirir.
Mevcut teknolojilerin zorlukları ve bu deneyin başarıları
Optik kablosuz güç iletim teknolojisinin verimliliği genellikle düşüktür ve verimliliğin arttırılması pratik kullanım açısından bir sorundur. Bunun nedenlerinden biri, uzun-mesafeli lazer ışınının özellikle atmosferde yayılması durumunda yoğunluk dağılımının dengesiz hale gelmesi ve fotoelektrik dönüşüm elemanında lazer ışınını elektrik enerjisine dönüştürme verimliliğinin düşük olmasıdır.
Bu deneyde, lazer kablosuz güç iletiminin verimliliğini artırmak için NTT'nin ışın şekillendirme teknolojisini MHI'nın ışık alma teknolojisiyle birleştirdik. 1 kilometrelik yayılımdan sonra tekdüze ışın yoğunluğu elde etmek için iletim tarafındaki ışını şekillendiren uzun-mesafeli düz ışın şekillendirme teknolojisini ve alıcı tarafta bir homojenleştirici ve dengeleme devreleri ile atmosferik dalgalanmaların etkisini baskılayan çıkış akımı dengeleme teknolojisini kullanarak, dış ortamda uzun-mesafeli optik kablosuz güç aktarımı deneyi gerçekleştirdik.
Ocak-Şubat 2025 arasında, Wakayama Eyaleti, Nishimuro Bölgesi, Shirahama Kasabasındaki Nanki-Shirahama Havaalanı'ndaki pistte bir optik kablosuz güç aktarımı deneyi gerçekleştirdik (Şekil 2). Pistin bir ucuna, lazer ışını yayan optik sistemle donatılmış bir iletim kabini yerleştirildi ve 1 kilometre uzağa, ışık-alıcı paneli içeren bir resepsiyon kabini yerleştirildi.
İletim sırasında, lazerin optik ekseni yerden yaklaşık 1 metre yükseklikte alçak bir yüksekliğe ayarlandı ve yatay olarak hizalandı. Sonuç olarak ışın yerden ısıtma ve rüzgardan güçlü bir şekilde etkilenmiş ve deney güçlü atmosferik türbülansın olduğu koşullar altında gerçekleştirilmiştir.
İletim kabininin içinde 1035 W optik güce sahip bir lazer ışını üretildi. Kırınımlı bir optik eleman (DOE)(Not3) kullanılarak ışın, 1 kilometrelik bir mesafede tekdüze bir yoğunluk dağılımı oluşturacak şekilde şekillendirildi. Ek olarak, şekillendirilmiş ışının alıcı panele doğru hassas bir şekilde yönlendirilmesi için bir ışın yönlendirme aynası kullanıldı. Işın, iletim kabininin açıklığından çıktı ve 1 kilometrelik açık alan boyunca yayılarak en sonunda resepsiyon kabinine ulaştı.
Yayılma sırasında atmosferik türbülans, ışının yoğunluğunda dalgalanmalara neden olarak sıcak noktalar yarattı. Bunlar, resepsiyon kabinindeki bir homojenleştirici tarafından dağıtıldı ve bu, alıcı panel üzerine tek tip bir ışının ışınlanmasıyla sonuçlandı. Lazer ışını daha sonra verimli bir şekilde elektrik gücüne dönüştürüldü (Şekil 3). Alıcı panel için hem maliyet hem de kullanılabilirlik dikkate alınarak silikon-bazlı bir fotoelektrik dönüşüm elemanı benimsendi.
Bu deneyde, alıcı panelden çekilen ortalama elektrik gücü 152 W'tır (Şekil 4), bu da alınan elektrik gücünün iletilen optik güce oranı olarak tanımlanan %15'lik bir kablosuz güç iletim verimliliğine karşılık gelir. Bu sonuç, güçlü atmosferik türbülans koşulları altında silikon-bazlı bir fotoelektrik dönüşüm elemanı kullanılarak bugüne kadar gösterilen dünyanın en yüksek optik kablosuz güç aktarım verimliliğine işaret ediyor. Ayrıca, sürekli güç dağıtımının 30 dakika boyunca başarıyla sürdürülmesi, bu teknolojiyi kullanarak uzun-süreli güç aktarımının fizibilitesini doğruladı.
Not:Güvenlik açısından bakıldığında, optik iletim sistemi ve alıcı panelin her biri, kazara yüksek-güçlü lazer ışınlarına maruz kalmayı ve yansıyan ışığın saçılmasını önlemek için kabinlerin içine yerleştirildi.
Teknik özellikler
Uzun-mesafeli düz ışın şekillendirme teknolojisi
Fotoelektrik dönüşüm verimliliğini arttırmak için, fotoelektrik dönüşüm elemanı üzerine gelen ışının yoğunluk dağılımını tekdüze hale getirmek gerekir.
Bu çalışmada, uzun mesafeli yayılımdan sonra yoğunluk tekdüzeliğini mümkün kılan bir ışın şekillendirme yöntemi önerdik.- Bu yaklaşımda, ışının dış kısmı, eksenel mercek etkisi kullanılarak halka-şeklinde bir desene dönüştürülür(Not4). Işının orta kısmı, içbükey bir merceğin etkisiyle genişleyecek şekilde faz-modülasyonuna tabi tutulur. Işın yayıldıkça, halka- şeklindeki ışın ve genişletilmiş merkezi ışın yavaş yavaş üst üste binerek, Şekil 5'te gösterildiği gibi hedef konumda tekdüze bir yoğunluk dağılımı elde edilir.
Deney için ışın tasarımını 1 kilometre mesafede istenen yoğunluk profilini elde edecek şekilde optimize ettik. Işın şekillendirme, 1 kilometre uzakta bulunan hedef konumda ışın yoğunluğunun tekdüzeliğini artıran kırınımlı bir optik eleman kullanılarak uygulandı.
Çıkış akımı dengeleme teknolojisi
Lazer ışını atmosferde yayılırken atmosferik türbülanstan etkilenir ve bu da yoğunluk dağılımını bozar. Yukarıda açıklanan düz-ışın şekillendirme tekniği yoğunluk dağılımını tek biçimli hale getirebilse de, Şekil 6'da gösterildiği gibi güçlü türbülans yine de yüksek-yoğunluklu noktaların oluşumuna neden olabilir.
Bu sorunu çözmek için ışık-alma panelinin önüne bir ışın homojenleştirici yerleştirdik. Homojenleştirici, yüksek-yoğunluktaki noktaları dağıtarak ışının panel üzerine eşit şekilde yayılmasını sağlar. Ayrıca alıcı paneldeki her bir fotoelektrik dönüşüm elemanına dengeleme devreleri bağlanmıştır. Bu devreler, atmosferik türbülansın neden olduğu çıkış akımındaki dalgalanmaları bastırmaya yardımcı olur ve genel güç çıkışının dengelenmesine katkıda bulunur.
Bu iki teknoloji, geleneksel ışın şekillendirme yöntemleriyle zor olan kilometre{0}}düzeni iletiminde ışın tekdüzeliğine ulaşmayı ve dış ortamlarda çıktıyı dengelemeyi mümkün kılar. Sonuç olarak, izole adalar ve afetten-etkilenen alanlar gibi uzak konumlara istikrarlı güç kaynağı sağlanmasının mümkün hale gelmesi bekleniyor.
Her şirketin rolü
NTT: Işın şekillendirme teknikleri gibi iletim optiklerinin tasarımı ve uygulanması
MHI: Fotodetektör panelleri, homojenleştiriciler ve seviyelendirme devreleri gibi fotodedektör optiklerinin tasarımı ve uygulanması
Gelecekteki gelişmeler
Bu teknoloji, atmosferik türbülans altında bile uzun mesafelerde enerjinin verimli ve istikrarlı bir şekilde iletilmesine olanak sağlar. Bu deneyde fotovoltaik dönüşüm elemanı olarak silikon kullanıldı. Ancak lazer ışığının dalga boyuna uyacak şekilde özel olarak tasarlanmış fotovoltaik cihazların kullanılmasıyla daha da yüksek güç aktarım verimliliği beklenebilir. Ayrıca daha yüksek çıkış gücüne sahip lazer ışık kaynaklarının kullanılması, daha fazla miktarda elektrik sağlanmasını mümkün kılacaktır.
Sonuç olarak, güç kablolarının kurulumunun geleneksel olarak zor olduğu felaket bölgeleri ve uzak adalar gibi uzak bölgelerde esnek ve hızlı güç dağıtımı gerçekleştirilebilir. Karasal uygulamaların ötesinde, bu teknolojiye dayalı olarak çok çeşitli yeni kullanım durumları da öngörülebilir (Şekil 7). Özellikle lazer ışınlarının yüksek yönlülüğü ve düşük sapması, kompakt ve hafif alıcı cihazların tasarlanmasına olanak sağlar. Bu, ağırlık ve taşıma kapasitesi açısından katı sınırlamalarla karşı karşıya olan mobil platformlar için büyük bir avantajdır.
Örneğin, bu teknolojinin ışın yönlendirme teknikleriyle birleştirilmesiyle, uçuş sırasında drone'lara kablosuz olarak güç iletmek mümkün hale geliyor. Bu, pil değişimi için iniş veya bağlı güç kaynağı kablolarının kullanılması gibi operasyonel kısıtlamaları ortadan kaldırarak uzun-süreli ve uzun-mesafeli sürekli çalışmaya olanak tanır. Bu tür yetenekler, daha önce gerçekleştirilmesi zor olan uygulamalar olan-afet alanı izlemenin yanı sıra dağlık veya deniz bölgelerindeki geniş-alan iletişim aktarımını da geliştirebilir.
Ayrıca, NTT'nin uzay markası NTT C89 (Not6) kapsamına giren HAPS (Yüksek İrtifa Platform İstasyonu)(Not5) gibi mobil platformlara güç dağıtımı da dahil olmak üzere uzaydaki potansiyel uygulamalar da öngörülüyor. Daha ileriye bakıldığında bu teknoloji, güç alanı veri merkezleri ve ay gezicilerinin yanı sıra, elektriğin sabit uydulardan yere lazer yoluyla iletildiği uzay güneş enerjisi sistemlerine de uygulanabilir. Bu uygulamalar pazarın genişletilmesi açısından güçlü potansiyele sahip alanları temsil etmektedir.
NTT ve MHI arasındaki işbirliği sayesinde, atmosferik dalgalanmalardan güçlü bir şekilde etkilenen koşullar altında dünyanın en verimli lazer kablosuz güç aktarım teknolojisini hayata geçirdik. Bu başarı, afet müdahalesinden uzay geliştirmeye kadar çok çeşitli toplumsal ihtiyaçları karşılayabilecek yenilikçi bir teknolojik temel oluşturmaya yönelik önemli bir adımı temsil ediyor.
