La recharge sans fil n’a rien de nouveau pour nos téléphones, montres, écouteurs et autres technologies. Aujourd’hui, des chercheurs veulent amener l’énergie sans fil dans les cieux—recharger les drones en vol en projetant un laser sous leurs ailes.
Dans un article publié le 29 juillet dans la revue Cell Press Matter & Light, des chercheurs ont conçu un récepteur léger basé sur une conception de cellule solaire qui capte l’énergie d’un faisceau laser et la transforme en électricité. Pour garder l’appareil au frais, ils l’ont stratégiquement placé sur les ailes d’un drone et ont utilisé une technologie bloquant la chaleur, permettant au récepteur de convertir une plus grande partie de l’énergie du laser en puissance utilisable.
« Imaginez un avenir où les drones inspectant les forêts, surveillant les catastrophes ou livrant des colis n’auraient plus besoin d’atterrir fréquemment pour remplacer les batteries », explique l’auteur principal Jianhua Han de l’Université de l’Aviation Civile de Chine. « À mesure que les drones entreprennent des missions plus longues, l’autonomie de la batterie est devenue l’un des plus grands obstacles. »
La technologie repose sur un dispositif tandem cellule laser-thermoélectrique à pérovskite (PLC-TE), un type de cellule solaire optimisé pour les lasers plutôt que pour la lumière solaire. La couche de pérovskite convertit l’énergie laser en électricité, tandis que la couche thermoélectrique capte l’énergie qui serait autrement perdue sous forme de chaleur. Plus la différence de température entre le côté chaud exposé au laser et l’autre côté plus froid est grande, plus la couche thermoélectrique peut générer d’électricité.
Mais les lasers puissants chauffent également l’appareil de manière significative, érodant son efficacité.
« Lorsque nous avons testé l’appareil sous un laser de haute puissance, la caméra thermique a montré des températures de 80 à 90 degrés Celsius », dit Han. « C’était bien plus élevé que prévu et nous a fait réaliser que l’accumulation de chaleur était un problème bien plus grave que nous ne l’imaginions. »
Pour éviter que l’appareil ne cuise, les chercheurs ont intégré des nanocristaux spécialisés dans le dispositif tandem PLC-TE. Les nanocristaux conduisent mal la chaleur et agissent comme une barrière thermique, ralentissant le flux de chaleur et aidant l’appareil à maintenir ses performances lors d’une exposition prolongée au laser. Sous un laser vert, le système a converti 38,49 % de l’énergie entrante en électricité—parmi les rendements les plus élevés rapportés pour cette classe de technologie fonctionnant dans des conditions similaires.
Pour preuve de concept, l’équipe a également intégré le dispositif sous l’aile d’un modèle de drone stationnaire et a creusé des canaux d’air à travers l’aile. En projetant un laser vert sur le dispositif, ils ont réussi à alimenter la pale de l’hélice du modèle. De plus, le flux d’air a davantage refroidi le côté froid de la couche thermoélectrique, améliorant les performances globales du dispositif.
« Les études précédentes se concentraient largement sur les matériaux ou le dispositif lui-même », explique Han. « Nous voulions penser au-delà du laboratoire, à la manière dont le système pourrait réellement être intégré dans un aéronef, refroidi pendant le fonctionnement et rendu compatible avec le vol. Ce n’est pas seulement un problème de science des matériaux, c’est un problème d’ingénierie. »
Le dispositif n’a pas encore pris son envol. Son prochain test sera à bord d’un drone léger pour prouver qu’il peut fonctionner de manière fiable en extérieur. Les chercheurs devront également réfléchir à la manière de suivre avec précision les drones en mouvement avec des faisceaux laser et à la manière de garantir la sécurité de la technologie.
« Notre travail démontre la possibilité de « ravitailler les aéronefs avec de la lumière » », affirme Han. « Passer de 1 à 100 nécessitera de résoudre de nombreux défis d’ingénierie, mais nous espérons que cela fournira un point de départ pour les développements futurs. »
Article : Sb2Se3 nanocrystals enable efficient perovskite-thermoelectric tandem devices for laser-powered unmanned aerial vehicles – Journal : Matter & Light – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
