ลองนึกภาพเมื่อคุณเดินเข้าไปในสนามบินหรือร้านของชำ แล้วสมาร์ทโฟนของคุณจะเริ่มชาร์จโดยอัตโนมัติ นี่อาจเป็นความจริงในวันหนึ่ง ด้วยระบบการชาร์จเลเซอร์แบบไร้สายใหม่ที่เอาชนะความท้าทายบางอย่างที่ขัดขวางความพยายามครั้งก่อนในการพัฒนาระบบการชาร์จขณะเดินทางที่ปลอดภัยและสะดวกสบาย
“ความสามารถในการจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์แบบไร้สายสามารถขจัดความจำเป็นในการพกพาสายไฟสำหรับโทรศัพท์หรือแท็บเล็ตของเรา” Jinyong Ha หัวหน้าทีมวิจัยจาก มหาวิทยาลัย Sejong ในเกาหลีใต้กล่าว “นอกจากนี้ยังสามารถให้พลังงานแก่เซ็นเซอร์ต่างๆ เช่น อุปกรณ์ Internet of Things (IoT) และเซ็นเซอร์ที่ใช้สำหรับตรวจสอบกระบวนการผลิตในโรงงานผลิต”
ในวารสาร Optica Publishing Group Optics Expressนักวิจัยได้อธิบายถึงระบบใหม่ของพวกเขา ซึ่งใช้แสงอินฟราเรดในการถ่ายโอนพลังงานในระดับสูงได้อย่างปลอดภัย การทดสอบในห้องปฏิบัติการพบว่าสามารถถ่ายโอนพลังงานแสง 400 mW ในระยะทางสูงสุด 30 เมตร พลังงานนี้เพียงพอสำหรับการชาร์จเซ็นเซอร์ และด้วยการพัฒนาเพิ่มเติม สามารถเพิ่มจนถึงระดับที่จำเป็นในการชาร์จอุปกรณ์มือถือ
มีการศึกษาเทคนิคหลายอย่างสำหรับการถ่ายโอนพลังงานแบบไร้สายระยะไกล อย่างไรก็ตาม การส่งกำลังที่เพียงพออย่างปลอดภัยในระยะทางระดับเมตรนั้นทำได้ยาก เพื่อเอาชนะความท้าทายนี้ นักวิจัยได้ปรับวิธีการที่เรียกว่าการชาร์จด้วยเลเซอร์แบบกระจาย ซึ่งเพิ่งได้รับความสนใจมากขึ้นสำหรับแอปพลิเคชันนี้ เนื่องจากให้แสงสว่างกำลังสูงที่ปลอดภัยและสูญเสียแสงน้อยลง
“ในขณะที่วิธีการอื่นๆ ส่วนใหญ่ต้องการให้อุปกรณ์รับสัญญาณอยู่ในแท่นชาร์จพิเศษหรืออยู่กับที่ การชาร์จด้วยเลเซอร์แบบกระจายช่วยให้สามารถจัดตำแหน่งตัวเองได้โดยไม่ต้องติดตามกระบวนการตราบใดที่ตัวส่งและตัวรับอยู่ในแนวสายตาของกันและกัน” กล่าว ฮา. “นอกจากนี้ยังจะเปลี่ยนเป็นโหมดส่งพลังงานต่ำที่ปลอดภัยโดยอัตโนมัติ หากวัตถุหรือบุคคลมาขวางสายตา”
ไปไกลๆ
การชาร์จด้วยเลเซอร์แบบกระจายทำงานเหมือนกับเลเซอร์ทั่วไป แต่แทนที่จะรวมส่วนประกอบออปติคัลของช่องเลเซอร์ไว้ในอุปกรณ์เดียว พวกมันจะถูกแยกออกเป็นเครื่องส่งและตัวรับ เมื่อตัวส่งและตัวรับอยู่ในแนวสายตา ช่องเลเซอร์จะถูกสร้างขึ้นระหว่างพวกเขาเหนืออากาศ—หรือพื้นที่ว่าง— ซึ่งช่วยให้ระบบส่งพลังงานจากแสงได้ หากมีสิ่งกีดขวางขวางทางสายตาของตัวส่งและตัวรับ ระบบจะสลับไปที่โหมดปลอดภัยจากพลังงานโดยอัตโนมัติ เพื่อให้ได้พลังงานที่ปราศจากอันตรายในอากาศ
ในระบบใหม่นี้ นักวิจัยได้ใช้แหล่งพลังงานออปติคัลแอมพลิฟายเออร์ใยแก้วนำแสงเออร์เบียมที่มีความยาวคลื่นกลาง 1550 นาโนเมตร ช่วงความยาวคลื่นนี้อยู่ในบริเวณที่ปลอดภัยที่สุดของสเปกตรัมและไม่เป็นอันตรายต่อดวงตาหรือผิวหนังของมนุษย์เมื่อใช้พลังงาน องค์ประกอบสำคัญอีกประการหนึ่งคือตัวกรองมัลติเพล็กซิ่งแบบแบ่งความยาวคลื่นที่สร้างลำแสงแบบแถบความถี่แคบที่มีกำลังแสงภายในขอบเขตความปลอดภัยสำหรับการขยายพื้นที่ว่าง
“ในหน่วยรับ เรารวมรีเฟล็กเตอร์เลนส์ลูกบอลทรงกลมเพื่ออำนวยความสะดวกในการจัดตำแหน่งตัวรับ-ส่งสัญญาณ 360 องศา ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายโอนพลังงานสูงสุด” ฮากล่าว “เราทดลองสังเกตว่าประสิทธิภาพโดยรวมของระบบขึ้นอยู่กับดัชนีการหักเหของแสงของเลนส์บอล โดยดัชนีการหักเหของแสง 2.003 มีประสิทธิภาพมากที่สุด”
การทดสอบในห้องปฏิบัติการ
เพื่อสาธิตระบบ นักวิจัยได้ตั้งค่าระยะห่าง 30 เมตรระหว่างเครื่องส่งและเครื่องรับ ตัวส่งสัญญาณทำจากแหล่งกำเนิดแสงออปติคัลแอมพลิฟายเออร์ไฟเบอร์เจือเออร์เบียม และหน่วยรับรวมเรโทรเฟล็กเตอร์ เซลล์สุริยะที่แปลงสัญญาณออปติคอลเป็นพลังงานไฟฟ้า และ LED ที่ส่องสว่างเมื่อมีการส่งพลังงาน ตัวรับสัญญาณนี้ซึ่งมีขนาดประมาณ 10 x 10 มม. สามารถรวมเข้ากับอุปกรณ์และเซ็นเซอร์ได้อย่างง่ายดาย
ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าระบบถ่ายโอนพลังงานออปติคัลไร้สายแบบช่องสัญญาณเดียวสามารถให้พลังงานแสง 400 mW โดยมีความกว้างของช่องสัญญาณ 1 นาโนเมตรในระยะทาง 30 เมตร เซลล์แสงอาทิตย์แปลงนี้เป็นพลังงานไฟฟ้า 85 mW นักวิจัยยังแสดงให้เห็นว่าระบบจะเปลี่ยนไปใช้โหมดถ่ายโอนพลังงานที่ปลอดภัยโดยอัตโนมัติเมื่อเส้นสายตาถูกขัดจังหวะด้วยมือมนุษย์ ในโหมดนี้ เครื่องส่งสัญญาณจะสร้างแสงความเข้มต่ำอย่างไม่น่าเชื่อซึ่งไม่ก่อให้เกิดความเสี่ยงต่อผู้คน
“การใช้ระบบชาร์จด้วยเลเซอร์เพื่อเปลี่ยนสายไฟในโรงงานสามารถประหยัดค่าบำรุงรักษาและค่าเปลี่ยนทดแทนได้” ฮากล่าว “สิ่งนี้อาจมีประโยชน์อย่างยิ่งในสภาพแวดล้อมที่รุนแรงซึ่งการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าอาจทำให้เกิดการรบกวนหรือก่อให้เกิดอันตรายจากไฟไหม้ได้”
ตอนนี้พวกเขาได้สาธิตระบบแล้ว นักวิจัยกำลังทำงานเพื่อให้ใช้งานได้จริงมากขึ้น ตัวอย่างเช่น สามารถเพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์เพื่อแปลงแสงเป็นพลังงานไฟฟ้าได้ดีขึ้น พวกเขายังวางแผนที่จะพัฒนาวิธีการใช้ระบบเพื่อชาร์จเครื่องรับหลายเครื่องพร้อมกัน
งานนี้ได้รับการสนับสนุนจากทุนสนับสนุนการวางแผนและประเมินผลเทคโนโลยีสารสนเทศและการสื่อสารซึ่งได้รับทุนจากกระทรวงวิทยาศาสตร์และไอซีทีของรัฐบาลเกาหลี
