DARPA, 장거리 에너지 전송에서 새로운 기록 달성 DARPA Sets New Record for Wireless Power Beaming

약 30초 동안 800와트 이상의 전력 전달 성공

미국 국방고등연구계획국( DARPA )은 최근 장거리 에너지 전송에서 새로운 기록을 달성했습니다. 뉴 멕시코 에서 수행된 시험에서, 지속형 광 무선 에너지 중계(POWER) 프로그램 팀은 레이저 빔이 8.6km를 통과하면서 약 30초 동안 800와트 이상의 전력을 전달하는 데 성공했습니다 .

DARPA Sets New Record for Wireless Power Beaming

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이전에 기록된 가장 긴 거리 기록은 1.7km에서 25초 동안 평균 230와트의 출력을 기록한 것이었고, 3.7km에서는 공개되지 않은 양의 출력을 기록했습니다.

이 업적은 3단계 프로젝트의 1단계를 마무리한 것입니다.

POWER 팀 리더인 폴 자페(Paul Jaffe) 는 추정 수신기 효율이 약 20%라고 말합니다. 다른 연구에서는 일부 산업용 레이저가 벽면 콘센트 효율이 50%를 넘는 것으로 기록되었습니다. 특히 특정 파장에 최적화된 태양 전지를 사용하면 더 높은 수신기 효율을 달성할 수 있는데, 이러한 태양 전지는 일반적으로 생산에 많은 비용과 시간이 소요됩니다.

자페는 여기서는 그렇지 않았다고 말합니다. 연구팀은 수신기 안에 설치된 상용 기성 태양 전지를 사용했습니다. 레이저 빔을 수신하면 수신기가 원뿔형 거울에서 나오는 적외선을 태양 전지로 반사시키고, 이를 통해 해당 빔이 사용 가능한 전기로 변환됩니다. 자페는 이 단계에서 목표는 효율성이 아니라 속도였다고 말합니다. "효율적인 것이 아니라 빠르게 무언가를 만들기 위해 여러 가지 설계 결정이 내려졌습니다."라고 그는 말합니다.

수신기를 개발한 회사인 테라벡 테크놀로지스의 설립자 레이몬드 호하이젤은 "빠르게"라는 표현은 계획부터 실행까지 3개월이라는 기간을 의미한다고 말합니다 . "이 기술이 저렴할 수 있다는 것을 증명한 것이 획기적인 성과였습니다."라고 그는 말합니다.

DARPA는 총 전송 전력을 공개하지 않았지만, 결과에 따르면 그에 따른 출력 에너지는 약 800W였습니다. "그리고 우리는 수신기를 더 오랜 시간(보고된 30초보다 더 긴 시간) 동안 작동시키는 테스트에서 성공했습니다."라고 Hoheisel은 말합니다.

POWER 수신기 어레이 데모(PRAD)는 광 파워 비밍의 전력과 거리 측면에서 기록을 세웠습니다. 그래픽은 이 데모가 이전의 주목할 만한 노력과 어떻게 비교되는지 보여줍니다. POWER Receiver Array Demo

전력 전송을 위한 광파 vs. 무선파

많은 장거리 전력 전송 프로젝트는 무선(또는 마이크로파) 주파수에 초점을 맞춥니다. 즉, 이동 거리 증가를 실현하기 위해 대형 송신기를 사용해야 합니다. 이러한 전력 전송이 제대로 작동하려면 빔포밍 이라는 프로세스가 필수적입니다.

임페리얼 칼리지 런던의 제어 및 전력 연구 그룹의 전기 에너지 변환 교수인 폴 미체슨은 이를 다음과 같이 설명합니다.방송 텔레비전 이나 라디오에서 목표는 많은 사람이 주어진 채널을 시청할 수 있도록 가능한 한 넓게 신호를 전파하는 것입니다.그는 "전력을 발사할 때는 바로 그런 일을 하고 싶지 않습니다."라고 말합니다.이 경우 목표는 가능한 한 손실이 적은 신호를 수신기로 직접 발사하는 것입니다. "따라서 다른 구조가 필요합니다. 안테나는 높은 이득이라고 부르는 것을 가져야 하므로 높은 수준의 방향성으로 특정 방향으로 전송해야 합니다."미체슨은 이것이 빔포밍 프로세스로, 휴대폰이 모든 곳에 방송하는 대신 기지국으로 신호를 보낼 수 있게 해준다고 덧붙입니다.

PRAD팀이 광학 전력 발사 거리 기록을 세운 날, 미국 육군 화이트샌드 미사일 훈련장에 위치한 고에너지 레이저 시스템 시험 시설의 시험장.

하지만 여전히 신호 손실은 존재합니다. 글래스고 대학교 이공계 대학 부총장 겸 학과장인 에릭 예이트먼은 여러 가지 면에서 적외선 레이저(또는 광학) 빔이 무선 주파수 보다 우위를 점한다고 말합니다. "무선에 비해 레이저는 초점 조절이 훨씬 더 용이합니다. 이상적인 조건에서는 거의 확산 없이 좁은 빔을 생성할 수 있습니다."라고 그는 말합니다.

하지만 광학 주파수가 안개와 구름에 의해 여전히 산란되기 때문에 마이크로파가 대기 전송에 일반적으로 더 우수하다고 자페는 말합니다. 반면 레이저는 무선 통신처럼 큰 안테나가 필요하지 않습니다 . 자페는 해군 연구소 에서 이전에 수행했던 실험에서 마이크로파 주파수를 통해 1.6kW의 전력을 1km에 걸쳐 전송하기 위해 5m 송신기와 2m 수신기가 필요했다고 말합니다.

바위투성이의 땅 위에 카메라를 향해 큰 검은색 원통형 물체 주위에 10명의 사람이 포즈를 취하고 있습니다. 폴 재피(주황색 옷)가 뉴멕시코주 고에너지 레이저 시스템 시험 시설에서 무선 전력 빔 전송 신기록을 달성한 후, POWER 수신기 어레이 시연팀과 함께 수신기 주변에 서 있습니다 .

전파의 파장은 적외선보다 훨씬 길기 때문에 빔포밍이 더 어렵습니다. 예이트먼은 "원하는 것은 일종의 파동 기둥입니다. [어떤 전송에서든] 출력 직경은 파장보다 훨씬 커야 하며, 이것이 초점을 맞출 수 있는지 여부를 결정합니다."라고 말합니다. 적외선의 파장이 짧기 때문에 초점을 맞춘 빔을 만드는 것이 훨씬 쉽습니다.

레이저 기술은 높은 정밀도, 긴 도달 거리, 그리고 작동에 필요한 더 가볍고 작은 장비 덕분에 공중 전력 중계망 구축에 더 적합합니다. "광학 장치와 함께 작동하지 않는다면 [DARPA의 목표 달성에는] 전혀 효과가 없습니다."라고 자페는 말합니다.

"레이저로 전력을 전송한다는 아이디어 자체는 새로운 것이 아니지만, 그들이 해낸 것은 인상적인 성과입니다."라고 예이트먼은 말합니다.

POWER 팀은 전달된 에너지의 일부를 사용하여 팝콘을 만들어 영화 "Real Genius"의 고전적인 장면에 대한 오마주로 파워 비밍 기록을 기념했습니다.

미 육군 화이트 샌드 미사일 시험장 자페는 이 기록이 팀의 목표가 아니었기에 놀라운 일이라고 말했습니다. 2023년에 시작된 이 프로젝트의 놀라운 점은 이것뿐만이 아니었습니다. 회절 광학 의 사용 또한 놀라운 일 중 하나였습니다. 사람들은 레이저 빔을 재지향한다고 하면 보통 거울이나 렌즈를 떠올린다고 자페는 말했습니다. "하지만 우리가 발견한 것 중 하나는 회절 광학 이 이 분야에 매우 적합할 수 있다는 것입니다. 특히 단색광 파장을 효율적으로 처리하는 데 탁월하기 때문입니다. 처음에는 몰랐지만, 연구를 진행하면서 그 사실을 알게 되었습니다."라고 그는 말했습니다.

냉각 시스템이 통합된 적층 제조 광학 장치 또한 프로젝트 시작 당시에는 계획에 없었습니다. 자페는 이를 실현했다는 사실만으로도 "우리가 POWER 분야에서 하고 있는 것보다 훨씬 더 광범위한 분야에 적용될 가능성이 높은 문제들을 해결할 새롭고 흥미로운 방법을 제시했다"고 말합니다.

DARPA Sets New Record for Wireless Power Beaming

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