TOKIO - 17 de septiembre de 2025 -NTT, Inc. (sede: Chiyoda, Tokio; presidente y director ejecutivo: Akira Shimada; en adelante "NTT") y Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. (sede: Chiyoda, Tokio; presidente y director ejecutivo: Eisaku Ito; en adelante "MHI") llevaron a cabo un experimento de transmisión de energía óptica inalámbrica utilizando un rayo láser para transmitir energía de forma inalámbrica a 1 kilómetro de distancia. Al irradiar un rayo láser con una potencia óptica de 1 kW, logramos recibir 152 W de energía eléctrica a 1 kilómetro de distancia. Esto marca la eficiencia más alta del mundo de una transmisión de energía óptica inalámbrica utilizando un elemento de conversión fotoeléctrica de silicio (Nota 2) en un entorno con fuerte turbulencia atmosférica.
Este resultado demuestra la viabilidad de entregar energía a sitios distantes. En el futuro, se espera que se aplique a-la transmisión de energía bajo demanda a islas remotas y áreas-afectadas por desastres donde no se pueden instalar cables eléctricos.
Este logro fue publicado en la revista británica Electronics Letters el 5 de agosto de 2025.
Fondo
En los últimos años, las tecnologías de transmisión inalámbrica de energía para dispositivos como teléfonos inteligentes, dispositivos portátiles, drones y vehículos eléctricos, que pueden suministrar electricidad sin utilizar cables, han acaparado cada vez más atención. Hay dos tipos de sistemas inalámbricos de transmisión de energía: uno utiliza microondas y el otro utiliza rayos láser. La transmisión de energía inalámbrica por microondas ya se utiliza en la práctica y su uso se está ampliando. Por otro lado, la transmisión de energía inalámbrica óptica utilizando un rayo láser no se ha puesto en práctica, pero se espera lograr una transmisión de energía inalámbrica compacta a larga distancia-del orden de kilómetros aprovechando la alta directividad del rayo láser (Figura 1).
Las perspectivas futuras prevén el desarrollo de infraestructura de próxima-generación capaz de suministrar energía y ampliar la cobertura de comunicaciones en situaciones y regiones donde la electricidad o las redes de comunicación no están disponibles, como durante desastres, en islas remotas, zonas montañosas o en el mar. Esto incluye entregar energía precisamente a áreas específicas o plataformas móviles como drones. Lograr una entrega de energía tan precisa y a larga distancia-requiere una transmisión de energía inalámbrica basada en láser-que aproveche su fuerte direccionalidad.
Desafíos de las tecnologías existentes y logros de este experimento.
La eficiencia de la tecnología de transmisión de energía óptica inalámbrica es generalmente baja y la mejora de la eficiencia es un problema para el uso práctico. Una de las razones de esto es que cuando-el rayo láser se propaga a larga distancia, especialmente en la atmósfera, la distribución de intensidad se vuelve desigual y la eficiencia de convertir el rayo láser en energía eléctrica en el elemento de conversión fotoeléctrica se vuelve baja.
En este experimento, combinamos la tecnología de conformación de haz de NTT con la tecnología de recepción de luz de MHI para mejorar la eficiencia de la transmisión de energía inalámbrica del láser. Llevamos a cabo un experimento de transmisión de energía inalámbrica óptica de larga-distancia en un ambiente al aire libre utilizando tecnología de conformación de haz plano de larga-distancia que da forma al haz en el lado de transmisión para lograr una intensidad uniforme del haz después de 1 kilómetro de propagación, y tecnología de nivelación de corriente de salida que suprime la influencia de las fluctuaciones atmosféricas con un homogeneizador y circuitos de nivelación en el lado receptor.
De enero a febrero de 2025, llevamos a cabo un experimento de transmisión de energía inalámbrica óptica en la pista del aeropuerto Nanki-Shirahama en la ciudad de Shirahama, distrito de Nishimuro, prefectura de Wakayama (Figura 2). En un extremo de la pista se instaló una cabina de transmisión equipada con un sistema óptico para emitir un rayo láser y a 1 kilómetro de distancia se colocó una cabina de recepción que contiene un panel receptor de luz-.
Durante la transmisión, el eje óptico del láser se colocó a una altura baja de aproximadamente 1 metro sobre el suelo y se alineó horizontalmente. Como resultado, el haz se vio fuertemente afectado por el calentamiento del suelo y el viento, y el experimento se llevó a cabo en condiciones de fuertes turbulencias atmosféricas.
Dentro de la cabina de transmisión se generó un rayo láser con una potencia óptica de 1035 W. Utilizando un elemento óptico difractivo (DOE) (Nota 3), se le dio forma al haz para crear una distribución de intensidad uniforme a una distancia de 1 kilómetro. Además, se utilizó un espejo de dirección del haz para dirigir con precisión el haz moldeado hacia el panel receptor. El rayo salió por la abertura de la cabina de transmisión y se propagó a lo largo de 1 kilómetro de espacio abierto, hasta llegar finalmente a la cabina de recepción.
Durante la propagación, la turbulencia atmosférica provocó fluctuaciones en la intensidad del haz, creando puntos calientes. Estos se difundieron mediante un homogeneizador en la cabina de recepción, lo que dio como resultado un haz uniforme que se irradió sobre el panel de recepción. Luego, el rayo láser se convirtió de manera eficiente en energía eléctrica (Figura 3). Se adoptó un elemento de conversión fotoeléctrica basado en silicio-para el panel receptor, teniendo en cuenta tanto el costo como la disponibilidad.
En este experimento, la potencia eléctrica promedio extraída del panel receptor fue de 152 W (Figura 4), lo que corresponde a una eficiencia de transmisión de energía inalámbrica del 15 %, definida como la relación entre la potencia eléctrica recibida y la potencia óptica transmitida. Este resultado marca la eficiencia de transmisión de energía inalámbrica óptica más alta del mundo jamás demostrada utilizando un elemento de conversión fotoeléctrica basado en silicio-en condiciones de fuerte turbulencia atmosférica. Además, el suministro continuo de energía se mantuvo con éxito durante 30 minutos, lo que confirma la viabilidad de una transmisión de energía de larga duración-utilizando esta tecnología.
Nota: Desde una perspectiva de seguridad, el sistema de transmisión óptica y el panel receptor se instalaron dentro de las cabinas para evitar la exposición accidental a rayos láser de alta-potencia y la dispersión de la luz reflejada.
Aspectos técnicos destacados
Tecnología de conformación de haz plano de larga-distancia
Para mejorar la eficiencia de la conversión fotoeléctrica, es necesario hacer uniforme la distribución de intensidad del haz que incide sobre el elemento de conversión fotoeléctrica.
En este estudio, propusimos un método de configuración del haz que permite la uniformidad de la intensidad después de una propagación a larga-distancia. En este enfoque, la parte exterior del haz se transforma en un patrón en forma de anillo-utilizando el efecto de una lente axicon (Nota 4). La parte central del haz está modulada en fase-para expandirse mediante el efecto de una lente cóncava. A medida que el haz se propaga, el haz en forma de anillo-y el haz central expandido se superponen gradualmente, lo que da como resultado una distribución de intensidad uniforme en la ubicación objetivo, como se muestra en la Figura 5.
Para el experimento, optimizamos el diseño del haz para lograr el perfil de intensidad deseado a una distancia de 1 kilómetro. La configuración del haz se implementó mediante un elemento óptico difractivo, que mejoró la uniformidad de la intensidad del haz en la posición objetivo ubicada a 1 kilómetro de distancia.
Tecnología de nivelación de corriente de salida
A medida que el rayo láser se propaga a través de la atmósfera, se ve afectado por turbulencias atmosféricas, que alteran la distribución de intensidad. Aunque la técnica de conformación del haz plano-descrita anteriormente puede uniformar la distribución de intensidad, una turbulencia fuerte aún puede causar la formación de puntos de alta-intensidad, como se muestra en la Figura 6.
Para solucionar este problema, colocamos un homogeneizador de haz frente al panel receptor de luz-. El homogeneizador difunde puntos de alta-intensidad para que el haz se irradie uniformemente sobre el panel. Además, se conectaron circuitos de nivelación a cada elemento de conversión fotoeléctrica en el panel receptor. Estos circuitos ayudan a suprimir las fluctuaciones en la corriente de salida causadas por la turbulencia atmosférica y contribuyen a estabilizar la producción de energía general.
Estas dos tecnologías permiten lograr uniformidad del haz en la transmisión de órdenes de kilómetros-, lo que era difícil con los métodos convencionales de conformación del haz, y estabilizar la producción en entornos exteriores. Como resultado, se espera que sea factible el suministro estable de energía a lugares remotos, como islas aisladas y áreas afectadas por desastres-.
Papel de cada empresa
NTT: Diseño e implementación de ópticas de transmisión como técnicas de conformación de haces.
MHI: Diseño e implementación de ópticas de fotodetectores como paneles fotodetectores, homogeneizadores y circuitos de nivelación.
Desarrollos futuros
Esta tecnología permite la transmisión eficiente y estable de energía a largas distancias incluso bajo turbulencias atmosféricas. En este experimento, se utilizó silicio como elemento de conversión fotovoltaica. Sin embargo, al emplear dispositivos fotovoltaicos diseñados específicamente para adaptarse a la longitud de onda de la luz láser, se puede esperar una eficiencia de transferencia de energía aún mayor. Además, el uso de fuentes de luz láser con mayor potencia de salida permitiría suministrar mayores cantidades de electricidad.
Como resultado, se puede lograr un suministro de energía flexible y rápido en áreas remotas, como regiones-afectadas por desastres e islas remotas, donde la instalación de cables eléctricos tradicionalmente ha sido difícil. Más allá de las aplicaciones terrestres, también se puede vislumbrar una amplia gama de nuevos casos de uso basados en esta tecnología (Figura 7). En particular, la alta directividad y la baja divergencia de los rayos láser permiten el diseño de dispositivos receptores compactos y livianos. Esta es una gran ventaja para las plataformas móviles que enfrentan limitaciones estrictas en peso y capacidad de carga útil.
Por ejemplo, al combinar esta tecnología con técnicas de dirección de haz, es posible entregar energía de forma inalámbrica a drones en vuelo. Esto evita limitaciones operativas, como el aterrizaje para el reemplazo de la batería o el uso de cables de suministro de energía atados, lo que permite una operación continua de larga-duración y larga-distancia. Estas capacidades pueden mejorar el monitoreo de áreas de desastre-así como la retransmisión de comunicaciones de área-amplia en regiones montañosas o marítimas, aplicaciones que antes eran difíciles de realizar.
Además, se prevén aplicaciones potenciales en el espacio, incluida la entrega de energía a plataformas móviles como HAPS (estación de plataforma de gran altitud) (Nota 5), que se encuentra dentro del alcance de la marca espacial de NTT, NTT C89 (Nota 6). De cara al futuro, la tecnología podría aplicarse para alimentar centros de datos espaciales y vehículos lunares, así como para sistemas espaciales de energía solar en los que la electricidad se transmite desde los satélites geoestacionarios a la Tierra mediante un láser. Estas aplicaciones representan áreas con un gran potencial de expansión del mercado.
A través de la colaboración entre NTT y MHI, hemos logrado la tecnología de transferencia de energía inalámbrica láser más eficiente del mundo en condiciones fuertemente afectadas por las fluctuaciones atmosféricas. Este logro representa un paso significativo hacia la construcción de una base tecnológica innovadora que pueda satisfacer una amplia gama de necesidades sociales, desde la respuesta a desastres hasta el desarrollo espacial.
