टोक्यो - सितम्बर 17, 2025 -एनटीटी, इंक. (मुख्यालय: चियोडा, टोक्यो; अध्यक्ष और सीईओ: अकीरा शिमाडा; इसके बाद "एनटीटी") और मित्सुबिशी हेवी इंडस्ट्रीज, लिमिटेड (मुख्यालय: चियोडा, टोक्यो; अध्यक्ष और सीईओ: ईसाकु इतो; इसके बाद "एमएचआई") ने 1 किलोमीटर दूर ऊर्जा को वायरलेस तरीके से प्रसारित करने के लिए लेजर बीम का उपयोग करके एक ऑप्टिकल वायरलेस पावर ट्रांसमिशन प्रयोग किया। 1 किलोवाट की ऑप्टिकल शक्ति के साथ लेजर बीम को विकिरणित करके, हम 1 किलोमीटर दूर 152 डब्ल्यू विद्युत शक्ति प्राप्त करने में सफल रहे। यह मजबूत वायुमंडलीय अशांति वाले वातावरण में सिलिकॉन फोटोइलेक्ट्रिक रूपांतरण तत्व (नोट 2) का उपयोग करके ऑप्टिकल वायरलेस पावर ट्रांसमिशन की दुनिया की उच्चतम दक्षता का प्रतीक है।
यह परिणाम सुदूर स्थलों तक बिजली पहुंचाने की व्यवहार्यता को दर्शाता है। भविष्य में, इसे दूर-दराज के द्वीपों और आपदाग्रस्त क्षेत्रों में, जहां बिजली के तार नहीं लगाए जा सकते, मांग पर बिजली ट्रांसमिशन के लिए लागू किए जाने की उम्मीद है।
यह उपलब्धि 5 अगस्त, 2025 को ब्रिटिश पत्रिका इलेक्ट्रॉनिक्स लेटर्स में प्रकाशित हुई थी।
पृष्ठभूमि
हाल के वर्षों में, स्मार्टफोन, पहनने योग्य उपकरणों, ड्रोन और इलेक्ट्रिक वाहनों जैसे उपकरणों के लिए वायरलेस पावर ट्रांसमिशन प्रौद्योगिकियों ने, जो केबल का उपयोग किए बिना बिजली की आपूर्ति कर सकते हैं, तेजी से ध्यान आकर्षित किया है। वायरलेस पावर ट्रांसमिशन सिस्टम दो प्रकार के होते हैं: एक माइक्रोवेव का उपयोग करता है और दूसरा लेजर बीम का उपयोग करता है। माइक्रोवेव वायरलेस पावर ट्रांसमिशन पहले से ही व्यावहारिक उपयोग में है और इसका उपयोग बढ़ रहा है। दूसरी ओर, लेजर बीम का उपयोग करके ऑप्टिकल वायरलेस पावर ट्रांसमिशन को व्यावहारिक उपयोग में नहीं लाया गया है, लेकिन लेजर बीम की उच्च प्रत्यक्षता (चित्र 1) का लाभ उठाकर किलोमीटर के क्रम पर कॉम्पैक्ट लंबी दूरी के वायरलेस पावर ट्रांसमिशन का एहसास होने की उम्मीद है।
भविष्य की संभावनाएं अगली पीढ़ी के बुनियादी ढांचे के विकास की कल्पना करती हैं जो बिजली की आपूर्ति करने और उन स्थितियों और क्षेत्रों में संचार कवरेज का विस्तार करने में सक्षम है जहां बिजली या संचार नेटवर्क अनुपलब्ध हैं, जैसे आपदाओं के दौरान, दूरदराज के द्वीपों, पहाड़ी क्षेत्रों या समुद्र में। इसमें विशिष्ट क्षेत्रों या ड्रोन जैसे चलती प्लेटफार्मों पर सटीक रूप से बिजली पहुंचाना शामिल है। ऐसी अत्यधिक सटीक और लंबी दूरी की बिजली वितरण प्राप्त करने के लिए लेजर आधारित वायरलेस पावर ट्रांसमिशन की आवश्यकता होती है जो इसकी मजबूत दिशात्मकता का लाभ उठाता है।
मौजूदा प्रौद्योगिकियों की चुनौतियाँ और इस प्रयोग की उपलब्धियाँ
ऑप्टिकल वायरलेस पावर ट्रांसमिशन तकनीक की दक्षता आम तौर पर कम है, और व्यावहारिक उपयोग के लिए दक्षता में सुधार एक मुद्दा है। इसका एक कारण यह है कि जब लंबी दूरी की लेजर किरण फैलती है, खासकर वायुमंडल में, तो तीव्रता वितरण असमान हो जाता है, और फोटोइलेक्ट्रिक रूपांतरण तत्व में लेजर बीम को विद्युत शक्ति में परिवर्तित करने की दक्षता कम हो जाती है।
इस प्रयोग में, हमने लेजर वायरलेस पावर ट्रांसमिशन की दक्षता में सुधार करने के लिए एनटीटी की बीम शेपिंग तकनीक को एमएचआई की प्रकाश प्राप्त करने वाली तकनीक के साथ जोड़ा। हमने लंबी दूरी की फ्लैट बीम आकार देने वाली तकनीक का उपयोग करके बाहरी वातावरण में लंबी दूरी के ऑप्टिकल वायरलेस पावर ट्रांसमिशन प्रयोग का संचालन किया, जो 1 किलोमीटर प्रसार के बाद एक समान बीम तीव्रता प्राप्त करने के लिए ट्रांसमिशन पक्ष पर बीम को आकार देता है, और आउटपुट करंट लेवलिंग तकनीक जो प्राप्त पक्ष पर एक होमोजेनाइज़र और लेवलिंग सर्किट के साथ वायुमंडलीय उतार-चढ़ाव के प्रभाव को दबा देता है।
जनवरी से फरवरी 2025 तक, हमने शिराहामा टाउन, निशिमुरो जिला, वाकायामा प्रीफेक्चर (चित्रा 2) में नानकी - शिराहामा हवाई अड्डे पर रनवे पर एक ऑप्टिकल वायरलेस पावर ट्रांसमिशन प्रयोग किया। रनवे के एक छोर पर लेजर बीम उत्सर्जित करने के लिए ऑप्टिकल सिस्टम से सुसज्जित एक ट्रांसमिशन बूथ स्थापित किया गया था, और एक रिसेप्शन बूथ जिसमें एक प्रकाश प्राप्त करने वाला पैनल था, 1 किलोमीटर दूर रखा गया था।
ट्रांसमिशन के दौरान, लेजर की ऑप्टिकल धुरी को जमीन से लगभग 1 मीटर की कम ऊंचाई पर सेट किया गया और क्षैतिज रूप से संरेखित किया गया। परिणामस्वरूप, किरण ज़मीन के गर्म होने और हवा से बहुत प्रभावित हुई, और प्रयोग मजबूत वायुमंडलीय अशांति वाली स्थितियों में आयोजित किया गया था।
ट्रांसमिशन बूथ के अंदर, 1035 W की ऑप्टिकल शक्ति वाला एक लेजर बीम उत्पन्न हुआ। विवर्तनिक ऑप्टिकल तत्व (डीओई) (नोट 3) का उपयोग करके, बीम को 1 किलोमीटर की दूरी पर एक समान तीव्रता वितरण बनाने के लिए आकार दिया गया था। इसके अलावा, प्राप्त पैनल की ओर आकार के बीम को सटीक रूप से निर्देशित करने के लिए एक बीम स्टीयरिंग दर्पण का उपयोग किया गया था। किरण ट्रांसमिशन बूथ के छिद्र से बाहर निकली और 1 किलोमीटर खुली जगह में फैल गई, अंततः रिसेप्शन बूथ तक पहुंच गई।
प्रसार के दौरान, वायुमंडलीय अशांति के कारण किरण की तीव्रता में उतार-चढ़ाव हुआ, जिससे गर्म स्थान बने। इन्हें रिसेप्शन बूथ में एक होमोजेनाइज़र द्वारा फैलाया गया, जिसके परिणामस्वरूप प्राप्त पैनल पर एक समान किरण विकिरणित हुई। फिर लेज़र बीम को कुशलतापूर्वक विद्युत शक्ति में परिवर्तित किया गया (चित्र 3)। लागत और उपलब्धता दोनों को ध्यान में रखते हुए, प्राप्त पैनल के लिए एक सिलिकॉन आधारित फोटोइलेक्ट्रिक रूपांतरण तत्व अपनाया गया था।
इस प्रयोग में, प्राप्त पैनल से निकाली गई औसत विद्युत शक्ति 152 डब्ल्यू (चित्रा 4) थी, जो 15% की वायरलेस पावर ट्रांसमिशन दक्षता के अनुरूप थी, जिसे प्राप्त विद्युत शक्ति और प्रेषित ऑप्टिकल पावर के अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया था। यह परिणाम मजबूत वायुमंडलीय अशांति की स्थितियों के तहत सिलिकॉन आधारित फोटोइलेक्ट्रिक रूपांतरण तत्व का उपयोग करके प्रदर्शित दुनिया की अब तक की उच्चतम ऑप्टिकल वायरलेस पावर ट्रांसमिशन दक्षता को चिह्नित करता है। इसके अलावा, 30 मिनट तक निरंतर बिजली वितरण सफलतापूर्वक बनाए रखा गया, जिससे इस तकनीक का उपयोग करके लंबी अवधि के बिजली संचरण की व्यवहार्यता की पुष्टि हुई।
ध्यान दें: सुरक्षा के नजरिए से, ऑप्टिकल ट्रांसमिशन सिस्टम और रिसीविंग पैनल प्रत्येक को बूथ के अंदर स्थापित किया गया था ताकि उच्च -पावर लेजर बीम के आकस्मिक जोखिम और परावर्तित प्रकाश के बिखराव को रोका जा सके।
तकनीकी मुख्य बातें
लंबी दूरी की फ़्लैट बीम आकार देने वाली तकनीक
फोटोइलेक्ट्रिक रूपांतरण दक्षता में सुधार करने के लिए, फोटोइलेक्ट्रिक रूपांतरण तत्व पर किरण घटना की तीव्रता वितरण को एक समान बनाना आवश्यक है।
इस अध्ययन में, हमने एक बीम आकार देने की विधि प्रस्तावित की है जो लंबी दूरी के प्रसार के बाद तीव्रता की एकरूपता को सक्षम बनाती है। इस दृष्टिकोण में, बीम के बाहरी हिस्से को एक्सिकॉन लेंस (नोट4) के प्रभाव का उपयोग करके एक रिंग के आकार के पैटर्न में बदल दिया जाता है। बीम का केंद्रीय भाग अवतल लेंस के प्रभाव से विस्तार करने के लिए चरणबद्ध है। जैसे-जैसे किरण फैलती है, वलय आकार की किरण और विस्तारित केंद्रीय किरण धीरे-धीरे ओवरलैप हो जाती है, जिसके परिणामस्वरूप लक्ष्य स्थान पर एक समान तीव्रता का वितरण होता है, जैसा कि चित्र 5 में दिखाया गया है।
प्रयोग के लिए, हमने 1 किलोमीटर की दूरी पर वांछित तीव्रता प्रोफ़ाइल प्राप्त करने के लिए बीम डिज़ाइन को अनुकूलित किया। बीम को आकार देने को एक विवर्तनिक ऑप्टिकल तत्व का उपयोग करके कार्यान्वित किया गया, जिससे 1 किलोमीटर दूर स्थित लक्ष्य स्थिति पर बीम की तीव्रता की एकरूपता में सुधार हुआ।
आउटपुट करंट लेवलिंग तकनीक
जैसे ही लेज़र किरण वायुमंडल में फैलती है, यह वायुमंडलीय अशांति से प्रभावित होती है, जो तीव्रता वितरण को परेशान करती है। यद्यपि ऊपर वर्णित फ्लैट {{1} }बीम आकार देने की तकनीक तीव्रता वितरण को समान कर सकती है, फिर भी मजबूत अशांति उच्च तीव्रता वाले धब्बों के निर्माण का कारण बन सकती है, जैसा कि चित्र 6 में दिखाया गया है।
इस समस्या का समाधान करने के लिए, हमने प्रकाश प्राप्त करने वाले पैनल के सामने एक बीम होमोजेनाइज़र रखा। होमोजेनाइज़र उच्च तीव्रता वाले स्थानों को फैलाता है ताकि बीम पैनल पर समान रूप से विकिरणित हो। इसके अलावा, लेवलिंग सर्किट प्राप्त पैनल पर प्रत्येक फोटोइलेक्ट्रिक रूपांतरण तत्व से जुड़े थे। ये सर्किट वायुमंडलीय अशांति के कारण आउटपुट करंट में उतार-चढ़ाव को दबाने में मदद करते हैं और समग्र बिजली उत्पादन को स्थिर करने में योगदान करते हैं।
ये दो प्रौद्योगिकियाँ किलोमीटर {{0}आदेश ट्रांसमिशन में बीम एकरूपता प्राप्त करना संभव बनाती हैं, जो पारंपरिक बीम आकार देने के तरीकों के साथ मुश्किल था, और बाहरी वातावरण में आउटपुट को स्थिर करना संभव बनाती है। परिणामस्वरूप, अलग-थलग द्वीपों और आपदा प्रभावित क्षेत्रों जैसे दूरदराज के स्थानों पर स्थिर बिजली आपूर्ति संभव होने की उम्मीद है।
प्रत्येक कंपनी की भूमिका
एनटीटी: बीम आकार देने की तकनीक जैसे ट्रांसमिशन ऑप्टिक्स का डिजाइन और कार्यान्वयन
एमएचआई: फोटोडिटेक्टर ऑप्टिक्स जैसे फोटोडिटेक्टर पैनल, होमोजेनाइज़र और लेवलिंग सर्किट का डिजाइन और कार्यान्वयन
भविष्य के विकास
यह तकनीक वायुमंडलीय अशांति के तहत भी लंबी दूरी तक ऊर्जा के कुशल और स्थिर संचरण को सक्षम बनाती है। इस प्रयोग में, सिलिकॉन का उपयोग फोटोवोल्टिक रूपांतरण तत्व के रूप में किया गया था। हालाँकि, लेजर प्रकाश की तरंग दैर्ध्य से मेल खाने के लिए विशेष रूप से डिज़ाइन किए गए फोटोवोल्टिक उपकरणों को नियोजित करके, उच्च शक्ति हस्तांतरण दक्षता की भी उम्मीद की जा सकती है। इसके अलावा, उच्च उत्पादन शक्ति वाले लेजर प्रकाश स्रोतों के उपयोग से बड़ी मात्रा में बिजली की आपूर्ति करना संभव हो जाएगा।
परिणामस्वरूप, दूरदराज के क्षेत्रों जैसे आपदाग्रस्त क्षेत्रों और दूरदराज के द्वीपों में लचीली और तेजी से बिजली वितरण प्राप्त किया जा सकता है, जहां बिजली केबलों की स्थापना पारंपरिक रूप से मुश्किल रही है। स्थलीय अनुप्रयोगों के अलावा, इस तकनीक के आधार पर नए उपयोग के मामलों की एक विस्तृत श्रृंखला की भी कल्पना की जा सकती है (चित्र 7)। विशेष रूप से, लेजर बीम की उच्च प्रत्यक्षता और कम विचलन कॉम्पैक्ट और हल्के प्राप्त करने वाले उपकरणों के डिजाइन की अनुमति देता है। यह उन मोबाइल प्लेटफ़ॉर्म के लिए एक बड़ा लाभ है जो वजन और पेलोड क्षमता में सख्त सीमाओं का सामना करते हैं।
उदाहरण के लिए, इस तकनीक को बीम स्टीयरिंग तकनीकों के साथ जोड़कर, उड़ान में ड्रोन को वायरलेस तरीके से बिजली पहुंचाना संभव हो जाता है। यह बैटरी बदलने के लिए उतरने या बंधी हुई बिजली आपूर्ति केबलों के उपयोग जैसी परिचालन संबंधी बाधाओं से बचाता है, जिससे लंबी अवधि और लंबी दूरी के निरंतर संचालन को सक्षम किया जा सकता है। ऐसी क्षमताएं आपदा क्षेत्र की निगरानी के साथ-साथ पहाड़ी या समुद्री क्षेत्रों में व्यापक क्षेत्र संचार रिले को बढ़ा सकती हैं, ऐसे अनुप्रयोग जिन्हें पहले लागू करना मुश्किल था।
इसके अलावा, अंतरिक्ष में संभावित अनुप्रयोगों का अनुमान है, जिसमें एचएपीएस (हाई एल्टीट्यूड प्लेटफॉर्म स्टेशन) (नोट5) जैसे मोबाइल प्लेटफॉर्म पर बिजली वितरण भी शामिल है, जो एनटीटी के अंतरिक्ष ब्रांड, एनटीटी सी89(नोट6) के दायरे में आता है। आगे की ओर देखते हुए, प्रौद्योगिकी को बिजली अंतरिक्ष डेटा केंद्रों और चंद्र रोवर्स के साथ-साथ अंतरिक्ष सौर ऊर्जा प्रणालियों पर भी लागू किया जा सकता है, जिसमें लेजर के माध्यम से भूस्थैतिक उपग्रहों से जमीन तक बिजली प्रसारित की जाती है। ये एप्लिकेशन बाज़ार विस्तार की प्रबल संभावना वाले क्षेत्रों का प्रतिनिधित्व करते हैं।
एनटीटी और एमएचआई के बीच सहयोग के माध्यम से, हमने वायुमंडलीय उतार-चढ़ाव से अत्यधिक प्रभावित परिस्थितियों में दुनिया की सबसे कुशल लेजर वायरलेस पावर ट्रांसफर तकनीक का एहसास किया है। यह उपलब्धि एक नवीन तकनीकी नींव के निर्माण की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम का प्रतिनिधित्व करती है जो आपदा प्रतिक्रिया से लेकर अंतरिक्ष विकास तक सामाजिक आवश्यकताओं की एक विस्तृत श्रृंखला को पूरा कर सकती है।
