Trung Quốc phát triển công nghệ sạc drone bằng laser giữa không trung

Nguyên mẫu bộ thu năng lượng laser gắn dưới cánh mô hình drone tĩnh, chuyển đổi năng lượng từ chùm laser xanh thành điện năng, trong khi luồng khí từ cánh quạt dẫn nhiệt thoát ra qua các kênh làm mát tích hợp sẵn. Nguồn: Y. Han và X. Han và cộng sự, tạp chí Matter & Light.

Các nhà nghiên cứu đang phát triển phương pháp sạc drone bằng laser ngay giữa chuyến bay, chiếu chùm tia từ mặt đất thẳng vào một bộ thu đặt dưới cánh thiết bị. Nhóm nghiên cứu tại Đại học Hàng không Dân dụng Trung Quốc cho biết công trình này nhằm giải quyết vấn đề thời lượng pin hạn chế, một trong những rào cản lớn nhất của công nghệ drone hiện nay.

Bộ thu siêu nhẹ được nhóm nghiên cứu thiết kế để hấp thụ năng lượng từ nguồn laser đặt trên mặt đất và chuyển đổi trực tiếp thành điện năng. Công nghệ này xoay quanh một thiết bị tandem quang điện laser perovskite kết hợp nhiệt điện, viết tắt PLC-TE, về bản chất là một phiên bản pin mặt trời được cải tiến để hấp thụ chùm laser công suất cao thay vì ánh sáng mặt trời thông thường.

Ông Jianhua Han, tác giả chính của nghiên cứu tại Đại học Hàng không Dân dụng Trung Quốc, hình dung một tương lai nơi những chiếc drone làm nhiệm vụ khảo sát rừng, giám sát thiên tai hay giao hàng không còn phải hạ cánh liên tục để thay pin. Ông cho biết công trình này chứng minh khả năng tiếp nhiên liệu cho phương tiện bay bằng ánh sáng, đồng thời thừa nhận việc đưa ý tưởng từ quy mô thử nghiệm ra ứng dụng thực tế còn đòi hỏi giải quyết rất nhiều bài toán kỹ thuật, nhưng nhóm hy vọng đây sẽ là điểm khởi đầu cho những bước phát triển tiếp theo.

Rào cản nhiệt độ trong quá trình truyền năng lượng

Truyền năng lượng không dây cho drone từng bị xem là bất khả thi vì một trở ngại vật lý mang tên nhiệt độ. Những chùm laser đủ mạnh để tạo ra lượng điện đáp ứng nhu cầu bay khiến các bộ thu nhỏ gọn nóng lên rất nhanh, phá hủy hiệu suất và làm chảy các linh kiện trước khi năng lượng kịp truyền tới nơi sử dụng.

Để khắc phục, nhóm nghiên cứu thiết kế một bộ thu hai lớp, gồm một tế bào laser perovskite ghép cùng một máy phát nhiệt điện. Lớp trên hấp thụ ánh sáng laser và chuyển hóa thành điện năng, trong khi lớp dưới thu lại phần nhiệt thừa để khai thác thêm năng lượng.

Trong quá trình thử nghiệm với laser công suất cao, camera nhiệt ghi nhận mức nhiệt bất ngờ lên tới 80 đến 90 độ C. Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu cấy thêm các tinh thể nano chặn nhiệt vào thiết bị, đóng vai trò như một lớp rào cản nhiệt.

Tích hợp khí động học thay vì gắn cảm biến cồng kềnh

Thay vì gắn một cảm biến cồng kềnh lên phía trên drone, nhóm nghiên cứu giấu bộ thu siêu mỏng xuống mặt dưới cánh và khoét những kênh dẫn khí tùy chỉnh xuyên qua khung máy bay. Khi drone bay, luồng gió lùa qua cánh tự nhiên làm mát mặt sau của bộ thu, trong khi mặt trước vẫn liên tục hứng chùm laser nên luôn nóng hơn. Nhờ nguyên lý nhiệt điện, độ chênh nhiệt giữa hai mặt càng lớn thì lớp nhiệt điện càng sinh ra nhiều điện năng, nên chính luồng gió làm mát mặt sau lại vô tình giúp bộ thu tạo ra nhiều điện hơn.

Ông Han cho biết những nghiên cứu trước đây phần lớn chỉ dừng ở vật liệu hoặc bản thân thiết bị, còn nhóm của ông muốn đi xa hơn phạm vi phòng thí nghiệm, hướng đến việc đưa hệ thống này lắp đặt thật sự lên một chiếc máy bay, duy trì khả năng làm mát trong suốt quá trình vận hành và tương thích với điều kiện bay ngoài thực tế. Theo ông, đây không đơn thuần là bài toán khoa học vật liệu mà là một bài toán kỹ thuật toàn diện.

Hiệu suất chuyển đổi và những câu hỏi còn bỏ ngỏ

Trong các thử nghiệm dùng chùm laser xanh tại phòng thí nghiệm, hệ thống chuyển đổi được 38,49% năng lượng laser đầu vào thành điện năng sử dụng được. Ở một mô hình tĩnh, chùm laser đã đủ sức khởi động một cánh quạt mẫu.

Đây là một bằng chứng khái niệm quan trọng, song vẫn còn nhiều câu hỏi lớn trước khi việc truyền năng lượng qua bầu trời trở thành hiện thực thương mại. Nhóm nghiên cứu còn phải thử nghiệm công nghệ này trên một phương tiện bay tự do, đang hoạt động giữa điều kiện ngoài trời khó lường. Bên cạnh bản thân bộ thu năng lượng, các kỹ sư còn phải xây dựng hệ thống quang học bám mục tiêu tốc độ cao, đủ khả năng khóa vào một vật thể đang di chuyển cách xa hàng dặm trên không trung, đồng thời bảo đảm chùm laser xanh công suất lớn không vô tình làm chói mắt phi công thương mại hay cắt ngang đường dây điện.

Nhóm nghiên cứu công bố kết quả trên tạp chí Matter & Light ngày 29/7. Với nền tảng đã đặt ra, viễn cảnh drone bay liên tục không giới hạn thời gian nhờ ánh sáng laser vẫn còn ở phía trước, phụ thuộc vào những bước hoàn thiện kỹ thuật tiếp theo của nhóm nghiên cứu.

Nguyên Anh