Le faisceau de puissance pratique devient réel

Un siècle plus tard, le rêve de Nikola Tesla devient réalité

Un système de transmission de puissance développé par PowerLight Technologies a transmis des centaines de watts de puissance lors d'une démonstration en 2019 au port de Seattle.

Les fils ont beaucoup aller pour eux quand il s'agit de déplacer l'énergie électrique, mais ils ont aussi leurs inconvénients. Qui, après tout, n'en a pas marre de devoir brancher et débrancher son téléphone et autres gadgets rechargeables ? C'est une nuisance.

Les fils défient également les services publics d'électricité : ces entreprises doivent s'efforcer d'augmenter la tension qu'elles appliquent à leurs câbles de transmission à des valeurs très élevées pour éviter de dissiper la majeure partie de l'énergie en cours de route. Et lorsqu'il s'agit d'alimenter les transports en commun, y compris les trains et les tramways électriques, les câbles doivent être utilisés en tandem avec des contacts roulants ou glissants, qui sont difficiles à entretenir, peuvent provoquer des étincelles et, dans certains contextes, généreront des contaminants problématiques.

De nombreuses personnes ont soif de solutions à ces problèmes, comme en témoigne l'adoption généralisée au cours de la dernière décennie de la recharge sans fil, principalement pour l'électronique grand public portable, mais aussi pour les véhicules. Bien qu'un chargeur sans fil vous évite d'avoir à connecter et déconnecter les câbles à plusieurs reprises, la distance sur laquelle l'énergie peut être fournie de cette manière est assez courte. En effet, il est difficile de recharger ou d'alimenter un appareil lorsque l'entrefer n'est que de quelques centimètres, encore moins de quelques mètres. N'y a-t-il vraiment aucun moyen pratique d'envoyer de l'énergie sur de plus grandes distances sans fil ?

Pour certains, toute la notion de transmission d'énergie sans fil évoque des images de Nikola Tesla avec des bobines à haute tension crachant des éclairs miniatures. Ce ne serait pas une connexion si idiote à faire. Tesla avait en effet poursuivi l'idée d'utiliser d'une manière ou d'une autre le sol et l'atmosphère comme conduit pour la transmission d'énergie à longue distance, un plan qui n'allait nulle part. Mais son rêve d'envoyer de l'électricité sur de grandes distances sans fil a persisté.

Pour souligner à quel point le système était sûr, l'animateur de l'émission scientifique de la BBC "Bang Goes the Theory" a collé son visage entièrement dans un faisceau de puissance.

Guglielmo Marconi, qui était le contemporain de Tesla, a compris comment utiliser les "ondes hertziennes", ou ondes électromagnétiques, comme nous les appelons aujourd'hui, pour envoyer des signaux sur de longues distances. Et cette avancée a apporté la possibilité d'utiliser le même type d'ondes pour transporter l'énergie d'un endroit à un autre. C'est, après tout, comment toute l'énergie stockée dans le bois, le charbon, le pétrole et le gaz naturel est arrivée ici : elle a été transmise à 150 millions de kilomètres à travers l'espace sous forme d'ondes électromagnétiques - la lumière du soleil - il y a pour la plupart des millions d'années.

La même physique de base peut-elle être exploitée pour remplacer les fils aujourd'hui ? Mes collègues et moi du US Naval Research Laboratory, à Washington, DC, pensons que oui, et voici quelques-unes des raisons pour lesquelles.

Il y a eu des efforts sporadiques au cours du siècle dernier pour utiliser les ondes électromagnétiques comme moyen de transmission d'énergie sans fil, mais ces tentatives ont produit des résultats mitigés. L'année d'or de la recherche sur la transmission d'énergie sans fil a peut-être été 1975, lorsque William Brown, qui travaillait pour Raytheon, et Richard Dickinson du Jet Propulsion Laboratory de la NASA (maintenant à la retraite) ont utilisé des micro-ondes pour diffuser de l'énergie dans un laboratoire avec plus de 50 % de bout en bout. -efficacité finale. Lors d'une démonstration distincte, ils ont pu fournir plus de 30 kilowatts sur une distance d'environ 1,6 kilomètre.

Ces démonstrations faisaient partie d'une campagne plus large de la NASA et du Département américain de l'énergie pour explorer la faisabilité de satellites à énergie solaire, qui, a-t-il été proposé, récolteraient un jour la lumière du soleil dans l'espace et transmettraient l'énergie vers la Terre sous forme de micro-ondes. Mais parce que cette ligne de recherche a été motivée en grande partie par la crise énergétique des années 1970, l'intérêt pour les satellites solaires a décliné dans les décennies suivantes, du moins aux États-Unis.

Bien que les chercheurs revisitent l'idée des satellites à énergie solaire avec une certaine régularité, ceux qui effectuent de véritables démonstrations de rayonnement de puissance ont eu du mal à dépasser le niveau d'efficacité, de distance et de puissance atteint en 1975. Mais cette situation commence à changer, grâce à diverses avancées récentes dans les technologies de transmission et de réception.

Lors d'une démonstration en 2019 au Naval Surface Warfare Center de Bethesda, dans le Maryland, ce faisceau laser a transporté en toute sécurité 400 watts sur une distance de 325 mètres.US Naval Research Laboratory

La plupart des premiers efforts de transmission de puissance se limitaient aux fréquences micro-ondes, la même partie du spectre électromagnétique qui regorge aujourd'hui de Wi-Fi, de Bluetooth et de divers autres signaux sans fil. Ce choix était en partie motivé par le simple fait qu'un équipement de transmission et de réception hyperfréquence efficace était facilement disponible.

Mais il y a eu des améliorations en termes d'efficacité et une disponibilité accrue d'appareils qui fonctionnent à des fréquences beaucoup plus élevées. En raison des limitations imposées par l'atmosphère sur la transmission efficace de l'énergie dans certaines sections du spectre électromagnétique, les chercheurs se sont concentrés sur les fréquences micro-ondes, millimétriques et optiques. Bien que les fréquences micro-ondes aient un léger avantage en termes d'efficacité, elles nécessitent des antennes plus grandes. Ainsi, pour de nombreuses applications, les liaisons à ondes millimétriques ou optiques fonctionnent mieux.

Pour les systèmes qui utilisent des micro-ondes et des ondes millimétriques, les émetteurs utilisent généralement des amplificateurs électroniques à semi-conducteurs et des antennes multiéléments, paraboliques ou métamatériaux. Le récepteur des micro-ondes ou des ondes millimétriques utilise un réseau d'éléments appelés rectennas. Ce mot, un portemanteau de redresseur et d'antenne, reflète la façon dont chaque élément convertit les ondes électromagnétiques en électricité à courant continu.

Tout système conçu pour la transmission de puissance optique utiliserait probablement un laser, un laser avec un faisceau étroitement confiné, comme un laser à fibre. Les récepteurs pour la transmission de puissance optique sont des cellules photovoltaïques spécialisées conçues pour convertir une seule longueur d'onde de lumière en énergie électrique avec un très haut rendement. En effet, les rendements peuvent dépasser 70 %, soit plus du double de ceux d'une cellule solaire typique.

Au US Naval Research Laboratory, nous avons passé la majeure partie des 15 dernières années à étudier différentes options de faisceaux de puissance et à étudier les applications potentielles. Il s'agit notamment de prolonger les temps de vol et les capacités de charge utile des drones, d'alimenter des satellites en orbite lorsqu'ils sont dans l'obscurité, d'alimenter des rovers opérant dans des régions ombragées en permanence de la lune, d'envoyer de l'énergie à la surface de la Terre depuis l'espace et de distribuer de l'énergie aux troupes sur le champ de bataille.

Vous pourriez penser qu'un appareil qui envoie de grandes quantités d'énergie dans l'air dans un faisceau étroit sonne comme un rayon de la mort. Cela nous amène au cœur d'une considération critique : la densité de puissance. Différentes densités de puissance sont techniquement possibles, allant de trop faibles pour être utiles à suffisamment élevées pour être dangereuses. Mais il est aussi possible de trouver un juste milieu entre ces deux extrêmes. Et il existe également des moyens astucieux d'utiliser en toute sécurité des faisceaux à haute densité de puissance. C'est exactement ce qu'une équipe dont je faisais partie a fait en 2019, et nous avons prolongé ce travail avec succès depuis lors.

L'un de nos partenaires industriels, PowerLight Technologies, anciennement connu sous le nom de LaserMotive, développe des systèmes de faisceaux de puissance à base de laser depuis plus d'une décennie. Réputée pour avoir remporté le NASA Power Beaming Challenge en 2009, cette société a non seulement réussi à alimenter des robots grimpeurs, des quadricoptères et des drones à voilure fixe, mais elle a également approfondi les défis de la transmission en toute sécurité de la puissance avec des lasers. C'est essentiel, car de nombreux groupes de recherche ont démontré le rayonnement laser au fil des ans, y compris des équipes du Naval Research Laboratory, de l'Université de Kindai, de l'Institut de technologie de Pékin, de l'Université du Colorado à Boulder, de la JAXA, d'Airbus et d'autres, mais seuls quelques-uns l'avoir accompli d'une manière vraiment sûre dans toutes les circonstances plausibles.

Il y a eu de nombreuses démonstrations de transmission de puissance au fil des ans, utilisant soit des micro-ondes [bleu] ou des lasers [rouge], le record de puissance de pointe ayant été établi en 1975 [haut]. En 2021, l'auteur et ses collègues ont pris les deuxième et troisième places pour le niveau de puissance de crête atteint dans de telles expériences, après avoir rayonné plus d'un kilowatt sur des distances dépassant un kilomètre, en utilisant des antennes beaucoup plus petites. David Schneider

La démonstration la plus spectaculaire d'un faisceau laser sûr avant l'effort de notre équipe a peut-être été faite par la société Lighthouse Dev en 2012. Pour souligner à quel point le système était sûr, l'hôte du programme scientifique de la BBC "Bang Goes the Theory" a collé son visage complètement dans un faisceau de puissance envoyé entre les bâtiments de l'Université du Maryland. Cette démonstration particulière a profité du fait que certaines longueurs d'onde infrarouges sont d'un ordre de grandeur plus sûres pour vos yeux que d'autres parties du spectre infrarouge.

Cette stratégie fonctionne pour les systèmes à relativement faible puissance. Mais à mesure que vous poussez le niveau plus haut, vous obtenez rapidement des densités de puissance qui soulèvent des problèmes de sécurité quelle que soit la longueur d'onde utilisée. Quoi alors ? C'est là que le système que nous avons démontré se distingue. Tout en envoyant plus de 400 watts sur une distance supérieure à 300 mètres, le faisceau était contenu dans une enceinte virtuelle, qui pouvait détecter un objet empiétant dessus et déclencher l'équipement pour couper l'alimentation du faisceau principal avant que tout dommage ne soit causé. D'autres tests ont montré que les distances de transmission peuvent dépasser le kilomètre.

Des tests minutieux (pour lesquels aucun hôte de programme scientifique de la BBC n'a été utilisé) ont vérifié à notre satisfaction la fonctionnalité de cette fonctionnalité, qui a également été approuvée par le Laser Safety Review Board de la Marine. Au cours de notre démonstration, le système a encore fait ses preuves lorsque, à plusieurs reprises, des oiseaux ont volé vers le faisceau, l'éteignant, mais seulement momentanément. Vous voyez, le système surveille le volume occupé par le faisceau, ainsi que son environnement immédiat, permettant à la liaison électrique de se rétablir automatiquement lorsque le chemin est à nouveau dégagé. Considérez-le comme une version plus sophistiquée d'un capteur de sécurité de porte de garage, où l'interruption d'un faisceau de garde déclenche l'arrêt du moteur entraînant la porte.

Les 400 watts que nous avons pu transmettre n'étaient certes pas énormes, mais c'était suffisant pour nous préparer du café.

Pour nos démonstrations, les observateurs présents ont pu se déplacer entre l'émetteur et le récepteur sans avoir à porter de lunettes de sécurité laser ni à prendre d'autres précautions. En effet, en plus de concevoir le système pour qu'il puisse s'éteindre automatiquement, nous avons pris soin de considérer les effets possibles des réflexions du récepteur ou de la diffusion de la lumière des particules en suspension dans l'air le long du trajet du faisceau.

L'année dernière, l'auteur et ses collègues ont effectué une démonstration à l'installation d'essai Blossom Point de l'armée américaine au sud de Washington, DC Ils ont utilisé des micro-ondes de 9,7 gigahertz pour envoyer 1 649 watts (puissance de crête) à partir d'un émetteur équipé d'un parabolique de 5,4 mètres de diamètre. parabole [en haut] sur une distance de 1 046 mètres jusqu'à une "rectenna" de 2 mètres sur 2 [au milieu] montée sur une tour [en bas], qui a transformé le faisceau en énergie électrique utilisable.US Naval Research Laboratory

Les 400 watts que nous avons pu transmettre n'étaient, certes, pas énormes, mais suffisants pour nous préparer du café, poursuivant ce qui est devenu de rigueur dans cette ligne d'expérimentation : faire une boisson chaude. (Les chercheurs japonais qui ont lancé cette tradition en 2015 se sont préparés du thé.)

Notre prochain objectif est d'appliquer le faisceau de puissance, avec des mesures de sécurité entièrement intégrées, aux plates-formes mobiles. Pour cela, nous prévoyons d'augmenter la distance parcourue et la quantité de puissance délivrée.

Mais nous ne sommes pas seuls : d'autres gouvernements, des entreprises établies et des startups du monde entier travaillent au développement de leurs propres systèmes de transmission de puissance. Le Japon est depuis longtemps un leader dans le domaine des faisceaux de puissance micro-ondes et laser, et la Chine a comblé l'écart, voire pris de l'avance, tout comme la Corée du Sud.

Au niveau de l'électronique grand public, il existe de nombreux acteurs : Powercast, Ossia, Energous, GuRu et Wi-Charge parmi eux. Et le géant multinational de la technologie Huawei s'attend à ce que la puissance rayonne pour la recharge des smartphones d'ici "deux ou trois générations [téléphones]".

Pour les applications industrielles, des entreprises comme Reach Labs, TransferFi, MH GoPower et MetaPower progressent dans l'utilisation de la transmission de puissance pour résoudre le problème épineux de garder les batteries pour robots et capteurs, dans les entrepôts et ailleurs, remplies et prêtes à l'emploi. Au niveau du réseau, Emrod et d'autres tentent d'étendre la transmission de puissance à de nouveaux sommets.

Sur le front de la R&D, notre équipe a démontré au cours de la dernière année une transmission de puissance sans fil micro-ondes sûre de 1,6 kilowatts sur une distance d'un kilomètre. Des entreprises comme II-VI Aerospace & Defense, Peraton Labs, Lighthouse Dev et d'autres ont également récemment fait des progrès impressionnants. Aujourd'hui, des startups ambitieuses telles que Solar Space Technologies, Solaren, Virtus Solis et d'autres opérant en mode furtif travaillent dur pour être les premières à réaliser un transfert d'énergie pratique de l'espace vers la Terre.

Au fur et à mesure que ces entreprises établissent des antécédents éprouvés en matière de sécurité et présentent des arguments convaincants en faveur de l'utilité de leurs systèmes, nous sommes susceptibles de voir émerger de toutes nouvelles architectures pour envoyer de l'énergie d'un endroit à l'autre. Imaginez des drones qui peuvent voler pendant des périodes indéfinies et des appareils électriques qui n'ont jamais besoin d'être branchés - jamais - et qui peuvent fournir de l'énergie aux gens partout dans le monde lorsque des ouragans ou d'autres catastrophes naturelles ravagent le réseau électrique local. Réduire la nécessité de transporter du carburant, des batteries ou d'autres formes d'énergie stockée aura des conséquences considérables. Ce n'est pas la seule option lorsque vous ne pouvez pas enchaîner les fils, mais mes collègues et moi nous attendons, dans l'ensemble des technologies possibles pour fournir de l'électricité à des endroits éloignés, que le rayonnement électrique brillera littéralement.

Cet article apparaît dans le numéro imprimé de juin 2022 sous le titre "Spooky Power at a Distance".