TOKIO - 17. September 2025 -NTT, Inc. (Hauptsitz: Chiyoda, Tokio; Präsident und CEO: Akira Shimada; im Folgenden „NTT“) und Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. (Hauptsitz: Chiyoda, Tokio; Präsident und CEO: Eisaku Ito; im Folgenden „MHI“) führten ein Experiment zur optischen drahtlosen Energieübertragung durch, bei dem Laserstrahlen zur drahtlosen Energieübertragung in einer Entfernung von 1 Kilometer zum Einsatz kamen. Durch die Bestrahlung mit einem Laserstrahl mit einer optischen Leistung von 1 kW gelang es uns, in 1 Kilometer Entfernung eine elektrische Leistung von 152 W zu empfangen. Dies stellt die weltweit höchste Effizienz einer optischen drahtlosen Energieübertragung unter Verwendung eines fotoelektrischen Silizium-Umwandlungselements (Anmerkung 2) in einer Umgebung mit starken atmosphärischen Turbulenzen dar.
Dieses Ergebnis zeigt, dass es möglich ist, entfernte Standorte mit Strom zu versorgen. Es wird erwartet, dass es in Zukunft für die bedarfsgesteuerte Stromübertragung zu abgelegenen Inseln und Katastrophengebieten eingesetzt wird,{2}in denen keine Stromkabel verlegt werden können.
Dieser Erfolg wurde am 5. August 2025 in der britischen Zeitschrift Electronics Letters veröffentlicht.
Hintergrund
In den letzten Jahren haben drahtlose Energieübertragungstechnologien für Geräte wie Smartphones, tragbare Geräte, Drohnen und Elektrofahrzeuge, die Strom ohne Kabel liefern können, zunehmend Aufmerksamkeit erregt. Es gibt zwei Arten drahtloser Energieübertragungssysteme: eines nutzt Mikrowellen und das andere nutzt Laserstrahlen. Die drahtlose Energieübertragung mittels Mikrowellen wird bereits in der Praxis eingesetzt und ihre Verwendung nimmt zu. Andererseits wurde die optische drahtlose Energieübertragung mithilfe eines Laserstrahls noch nicht in die Praxis umgesetzt, es wird jedoch erwartet, dass eine kompakte drahtlose Energieübertragung über große Entfernungen in der Größenordnung von Kilometern möglich ist, indem die hohe Richtwirkung des Laserstrahls genutzt wird (Abbildung 1).
Zukunftsaussichten sehen die Entwicklung einer Infrastruktur der nächsten -Generation vor, die in Situationen und Regionen, in denen Strom- oder Kommunikationsnetze nicht verfügbar sind, wie z. B. bei Katastrophen, auf abgelegenen Inseln, in Berggebieten oder auf See, Strom liefern und die Kommunikationsabdeckung erweitern kann. Dazu gehört die gezielte Energieversorgung bestimmter Bereiche oder das Bewegen von Plattformen wie Drohnen. Um eine solch hochpräzise Energieübertragung über große Entfernungen zu erreichen, ist eine laserbasierte drahtlose Energieübertragung erforderlich, die sich die starke Richtwirkung zunutze macht.
Herausforderungen bestehender Technologien und Erfolge dieses Experiments
Die Effizienz der optischen drahtlosen Energieübertragungstechnologie ist im Allgemeinen gering, und die Verbesserung der Effizienz ist ein Problem für den praktischen Einsatz. Einer der Gründe dafür ist, dass bei der Ausbreitung eines Laserstrahls über große Entfernungen, insbesondere in der Atmosphäre, die Intensitätsverteilung ungleichmäßig wird und die Effizienz der Umwandlung des Laserstrahls in elektrische Energie im fotoelektrischen Umwandlungselement gering wird.
In diesem Experiment haben wir die Strahlformungstechnologie von NTT mit der Lichtempfangstechnologie von MHI kombiniert, um die Effizienz der drahtlosen Laser-Energieübertragung zu verbessern. Wir führten ein Experiment zur optischen drahtlosen Energieübertragung über große Entfernungen in einer Außenumgebung durch. Dabei nutzten wir die flache Strahlformungstechnologie für lange Entfernungen, die den Strahl auf der Sendeseite so formt, dass nach 1 Kilometer Ausbreitung eine gleichmäßige Strahlintensität erreicht wird, und eine Ausgangsstromnivellierungstechnologie, die den Einfluss atmosphärischer Schwankungen mit einem Homogenisator und Nivellierungsschaltungen auf der Empfangsseite unterdrückt.
Von Januar bis Februar 2025 führten wir auf der Landebahn des Flughafens Nanki-Shirahama in der Stadt Shirahama, Bezirk Nishimuro, Präfektur Wakayama, ein Experiment zur optischen drahtlosen Energieübertragung durch (Abbildung 2). An einem Ende der Landebahn wurde eine Sendekabine installiert, die mit einem optischen System zum Aussenden von Laserstrahlen ausgestattet war, und in einem Kilometer Entfernung wurde eine Empfangskabine mit einer Lichtempfangstafel aufgestellt.
Während der Übertragung wurde die optische Achse des Lasers auf eine geringe Höhe von etwa 1 Meter über dem Boden eingestellt und horizontal ausgerichtet. Dadurch wurde der Strahl stark durch Bodenerwärmung und Wind beeinflusst und das Experiment wurde unter Bedingungen mit starken atmosphärischen Turbulenzen durchgeführt.
In der Sendekabine wurde ein Laserstrahl mit einer optischen Leistung von 1035 W erzeugt. Mithilfe eines diffraktiven optischen Elements (DOE) (Anmerkung 3) wurde der Strahl geformt, um eine gleichmäßige Intensitätsverteilung in einer Entfernung von 1 Kilometer zu erzeugen. Darüber hinaus wurde ein Strahllenkungsspiegel verwendet, um den geformten Strahl präzise auf die Empfangsplatte zu richten. Der Strahl trat durch die Öffnung der Sendekabine aus und breitete sich über einen Kilometer offenen Raum aus, um schließlich die Empfangskabine zu erreichen.
Während der Ausbreitung verursachten atmosphärische Turbulenzen Schwankungen in der Intensität des Strahls, wodurch Hot Spots entstanden. Diese wurden durch einen Homogenisator in der Empfangskabine zerstreut, was dazu führte, dass ein gleichmäßiger Strahl auf die Empfangsplatte gestrahlt wurde. Der Laserstrahl wurde dann effizient in elektrische Energie umgewandelt (Abbildung 3). Unter Berücksichtigung von Kosten und Verfügbarkeit wurde für das Empfangspanel ein fotoelektrisches Umwandlungselement auf Siliziumbasis eingesetzt.
In diesem Experiment betrug die durchschnittliche elektrische Leistung, die dem Empfangspanel entnommen wurde, 152 W (Abbildung 4), was einem Wirkungsgrad der drahtlosen Energieübertragung von 15 % entspricht, definiert als das Verhältnis der empfangenen elektrischen Leistung zur übertragenen optischen Leistung. Dieses Ergebnis stellt die weltweit höchste optische drahtlose Energieübertragungseffizienz dar, die jemals mit einem fotoelektrischen Umwandlungselement auf Siliziumbasis unter Bedingungen starker atmosphärischer Turbulenzen nachgewiesen wurde. Darüber hinaus konnte die kontinuierliche Stromlieferung 30 Minuten lang erfolgreich aufrechterhalten werden, was die Machbarkeit einer langzeitigen Stromübertragung mit dieser Technologie bestätigt.
Hinweis: Aus Sicherheitsgründen wurden das optische Übertragungssystem und das Empfangspanel jeweils in Kabinen installiert, um eine versehentliche Exposition gegenüber Hochleistungslaserstrahlen und die Streuung von reflektiertem Licht zu verhindern.
Technische Highlights
Technologie zur flachen Strahlformung über große Entfernungen-
Um die Effizienz der fotoelektrischen Umwandlung zu verbessern, ist es notwendig, die Intensitätsverteilung des auf das fotoelektrische Umwandlungselement einfallenden Strahls gleichmäßig zu machen.
In dieser Studie haben wir eine Strahlformungsmethode vorgeschlagen, die eine Intensitätsgleichmäßigkeit nach der Ausbreitung über große Entfernungen ermöglicht. Bei diesem Ansatz wird der äußere Teil des Strahls mithilfe der Wirkung einer Axicon-Linse (Anmerkung 4) in ein ringförmiges Muster umgewandelt. Der zentrale Teil des Strahls ist phasenmoduliert, um sich durch die Wirkung einer konkaven Linse auszudehnen. Während sich der Strahl ausbreitet, überlappen sich der ringförmige Strahl und der erweiterte Zentralstrahl allmählich, was zu einer gleichmäßigen Intensitätsverteilung am Zielort führt, wie in Abbildung 5 dargestellt.
Für das Experiment haben wir das Strahldesign optimiert, um das gewünschte Intensitätsprofil in einer Entfernung von 1 Kilometer zu erreichen. Die Strahlformung erfolgte über ein diffraktives optisches Element, das die Gleichmäßigkeit der Strahlintensität an der 1 Kilometer entfernten Zielposition verbesserte.
Ausgangsstrom-Nivellierungstechnologie
Während sich der Laserstrahl durch die Atmosphäre ausbreitet, wird er von atmosphärischen Turbulenzen beeinflusst, die die Intensitätsverteilung stören. Obwohl die oben beschriebene Flachstrahlformungstechnik die Intensitätsverteilung vergleichmäßigen kann, können starke Turbulenzen dennoch zur Bildung von Flecken mit hoher Intensität führen, wie in Abbildung 6 dargestellt.
Um dieses Problem zu beheben, haben wir einen Strahlhomogenisator vor dem Lichtempfangspanel platziert. Der Homogenisator zerstreut hochintensive Punkte, so dass der Strahl gleichmäßig auf das Panel gestrahlt wird. Darüber hinaus wurden Nivellierschaltungen an jedes fotoelektrische Wandlerelement auf dem Empfangspanel angeschlossen. Diese Schaltkreise tragen dazu bei, durch atmosphärische Turbulenzen verursachte Schwankungen des Ausgangsstroms zu unterdrücken und tragen zur Stabilisierung der Gesamtleistung bei.
Diese beiden Technologien ermöglichen es, eine Strahlgleichmäßigkeit in der Übertragung im Kilometerbereich zu erreichen, was mit herkömmlichen Strahlformungsmethoden schwierig war, und die Leistung in Außenumgebungen zu stabilisieren. Dadurch wird erwartet, dass eine stabile Stromversorgung an abgelegenen Orten wie abgelegenen Inseln und von Katastrophen betroffenen Gebieten möglich wird.
Rolle jedes Unternehmens
NTT: Design und Implementierung von Übertragungsoptiken wie Strahlformungstechniken
MHI: Design und Implementierung von Fotodetektoroptiken wie Fotodetektorplatten, Homogenisatoren und Nivellierschaltungen
Zukünftige Entwicklungen
Diese Technologie ermöglicht die effiziente und stabile Übertragung von Energie über große Entfernungen auch unter atmosphärischen Turbulenzen. In diesem Experiment wurde Silizium als photovoltaisches Umwandlungselement verwendet. Durch den Einsatz von Photovoltaikgeräten, die speziell auf die Wellenlänge des Laserlichts abgestimmt sind, kann jedoch eine noch höhere Effizienz der Energieübertragung erwartet werden. Darüber hinaus würde der Einsatz von Laserlichtquellen mit höherer Ausgangsleistung die Bereitstellung größerer Strommengen ermöglichen.
Dadurch kann eine flexible und schnelle Stromversorgung in abgelegenen Gebieten wie Katastrophenregionen-und abgelegenen Inseln erreicht werden, wo die Installation von Stromkabeln traditionell schwierig war. Über terrestrische Anwendungen hinaus sind auf Basis dieser Technologie auch vielfältige neue Anwendungsfälle denkbar (Abbildung 7). Insbesondere die hohe Richtwirkung und geringe Divergenz der Laserstrahlen ermöglichen die Entwicklung kompakter und leichter Empfangsgeräte. Dies ist ein großer Vorteil für mobile Plattformen, die strengen Beschränkungen hinsichtlich Gewicht und Nutzlastkapazität unterliegen.
Durch die Kombination dieser Technologie mit Strahlsteuerungstechniken wird es beispielsweise möglich, Drohnen im Flug drahtlos mit Strom zu versorgen. Dadurch werden Betriebseinschränkungen wie Landungen zum Batteriewechsel oder die Verwendung von fest angeschlossenen Stromversorgungskabeln vermieden, was einen kontinuierlichen Betrieb über lange -Dauer und große Entfernungen ermöglicht. Solche Funktionen können die Überwachung von Katastrophengebieten sowie die weiträumige Kommunikationsweiterleitung in Berg- oder Meeresregionen verbessern, Anwendungen, die bisher nur schwer zu realisieren waren.
Darüber hinaus werden potenzielle Anwendungen im Weltraum erwartet, einschließlich der Stromversorgung mobiler Plattformen wie HAPS (High Altitude Platform Station) (Anmerkung 5), die zum Bereich der Raumfahrtmarke von NTT, NTT C89 (Anmerkung 6), gehört. Mit Blick auf die Zukunft könnte die Technologie zur Stromversorgung von Weltraum-Rechenzentren und Mondfahrzeugen sowie für Weltraum-Solarstromsysteme eingesetzt werden, bei denen Elektrizität von geostationären Satelliten per Laser zum Boden übertragen wird. Diese Anwendungen stellen Bereiche mit großem Potenzial für eine Marktexpansion dar.
Durch die Zusammenarbeit zwischen NTT und MHI haben wir die weltweit effizienteste drahtlose Laser-Energieübertragungstechnologie unter Bedingungen realisiert, die stark von atmosphärischen Schwankungen beeinflusst werden. Dieser Erfolg stellt einen bedeutenden Schritt auf dem Weg zum Aufbau einer innovativen technologischen Grundlage dar, die ein breites Spektrum gesellschaftlicher Bedürfnisse erfüllen kann, von der Katastrophenhilfe bis zur Weltraumentwicklung.
