Ученые из Тяньцзиньского института источников питания и компании CETC создали высокоэффективные лазерные фотопреобразователи и продемонстрировали полноценную систему передачи энергии лазером на расстояние более 50 метров. Эта технология открывает путь к новому формату энергоснабжения космических аппаратов, луноходов и беспилотников там, где прокладка кабелей невозможна, а солнечные панели работают нестабильно.
Передавать энергию световым лучом пытались давно, но на практике эффективность таких систем оставалась низкой: слишком много потерь возникало на каждом этапе – при генерации лазера, его распространении и обратном преобразовании света в электричество. Китайские исследователи сосредоточились на двух узких местах, которые дольше всего мешали прогрессу. Первое –чувствительность фотопреобразователей к температуре: обычные лабораторные образцы работают хорошо только в узком диапазоне условий и быстро «проваливаются» при нагреве или охлаждении. Второе – сама форма луча: большинство мощных лазеров дают так называемый гауссов пучок, яркий в центре и слабый по краям, что приводит к провалам эффективности в больших массивах.
Для решения первой задачи была создана вертикальная многопереходная ячейка на основе арсенида галлия (GaAs), включающая шесть ультратонких подъячеек, каждая из которых поглощает свою долю света. Главный технологический прорыв заключался в том, что исследователи подобрали толщину каждого слоя не универсально, а сразу для трех характерных температур: –140 °C, +25 °C и +150 °C. Оптические свойства GaAs сильно меняются с температурой, а слишком толстый или слишком тонкий слой нарушает баланс поглощения, снижая ток на выходе. В итоге были изготовлены три оптимизированные версии преобразователя, каждая для своего теплового режима. Лучшую производительность показала низкотемпературная версия LPC₋₁₄₀. При –140 °C и площади почти 14 см² удалось достичь рекордной эффективности в 70,2%, то есть более двух третей энергии лазера было преобразовано в электричество.
Но один крупный элемент– еще не полноценная система. Чтобы собирать больше энергии, фотоячейки объединяют в массивы, и именно здесь мешает неравномерность гауссова луча. В простых прямоугольных массивах центральные элементы получают избыток света, а крайние – недостаток, и вся цепь работает на уровне самой «слабой» ячейки. Чтобы исключить этот эффект, ученые предложили необычную круговую конфигурацию. Круглое пятно лазера было разделено на десять равных сегментов и по форме этих сегментов изготовлены десять фотопреобразователей. Благодаря этому каждый из них получает примерно одинаковый суммарный поток света, несмотря на перераспределение яркости внутри пятна. Такой массив площадью около 78,5 см² продемонстрировал эффективность 50,6% при комнатной температуре – лучший результат среди крупных лазерных массивов.
Кульминацией работы стала натурная демонстрация технологии. На территории института был развернут передатчик с полупроводниковым лазером мощностью 350 Вт и приемная станция с новым круговым массивом. При дистанции 50,6 метра система стабильно передавала энергию, достигая максимальной сквозной эффективности «электричество-электричество» 16,9%. И это без учета энергозатрат на охлаждение лазера – важный шаг к практическим сценариям применения.
В дальнейших планах исследователей – масштабирование технологии и ее адаптация под реальные задачи космических миссий.
