Mit Diamanten zivile Drohnen im Flug aufladen

Ein kleiner, im Labor gezüchteter Diamant von wenigen Millimetern pro Seite könnte es eines Tages ermöglichen, zivile Drohnen im Flug durch einen Laser aufzuladen. Dank des Diamanten kann der Laserstrahl über weite Strecken stark genug bleiben, um Photovoltaikzellen auf der Oberfläche der Drohnen aufzuladen. Dieses System, das keine Gefahr für die menschliche Gesundheit darstellt, wird vom EPFL-Spin-off LakeDiamond entwickelt. Es könnte auch zur Übertragung von Energie und Daten an Satelliten genutzt werden und wurde soeben in die zehn vom Schweizerischen Weltraumamt für zwei Jahre unterstützten Projekte aufgenommen.

Drohnen werden für eine wachsende Anzahl von Zwecken eingesetzt. Ihre Entwürfe werden immer effizienter, und die Flugtechniken werden ständig weiterentwickelt. Aber Drohnen haben immer noch den gleichen Schwachpunkt: ihre Batterie. Dies gilt insbesondere für Propellerdrohnen, die zur Informationsbeschaffung in gefährlichen oder schwer zugänglichen Gebieten beliebt sind. Diese Drohnen können nur etwa 15 Minuten auf einmal fliegen, weil ihre Motoren schnell durch ihre Batterien brennen. Eine Möglichkeit, diese Einschränkung zu umgehen – ohne die Drohnen zu belasten – wäre, sie während der Fahrt mit einem Power Beaming System aufzuladen: ein energiereicher Laserstrahl, der von einem Tracking-System geführt wird und direkt auf Photovoltaikzellen an der Außenseite der Drohnen scheint.

Mehrere Labore auf der ganzen Welt, auch in den USA, haben in den letzten Jahren an dieser Idee gearbeitet. LakeDiamond, ein EPFL-Spin-off mit Sitz im Innovation Park, hat nun die Machbarkeit des Einsatzes eines Hochleistungslasers für diesen Zweck nachgewiesen. Darüber hinaus emittiert der Laser von LakeDiamond eine Wellenlänge, die Haut und Augen nicht schädigen kann – das Thema Sicherheit steht im Vordergrund, da das System für den Einsatz mit zivilen Drohnen konzipiert ist. Die Technologie von LakeDiamond basiert auf Diamanten, die im Labor des Unternehmens angebaut und anschließend auf atomarer Ebene geätzt werden.

Weltrekord in Sachen Power

Trotz des Aussehens sind die Standard-Laserstrahlen nicht so gerade, wie sie scheinen: Während sie sich bewegen, dehnen sie sich nur geringfügig aus, was zu einem Verlust der Dichte führt. Das System von LakeDiamond erzeugt jedoch einen Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 1,5 µm, der nicht nur sicher ist, sondern auch viel weiter reisen kann, ohne an Kraft zu verlieren. „Systeme, die von anderen Unternehmen und Labors entwickelt wurden, oft für militärische Anwendungen, verwenden Laser, die leistungsfähiger und damit gefährlicher für den Menschen sind“, sagt Pascal Gallo, CEO von LakeDiamond. Sein Unternehmen wandte sich dem entgegen: Ihre Technologie wandelt die von einer einfachen Niederleistungsdiode emittierten Strahlen in einen hochwertigen Laserstrahl um. Ihr Strahl hat einen größeren Durchmesser, und seine Strahlen bleiben über eine größere Entfernung parallel – in diesem Fall bis zu mehreren hundert Metern.

Im Laser von LakeDiamond wird das von einer Diode erzeugte Licht auf einen Booster gerichtet, der aus reflektierendem Material, einer optischen Komponente und einer kleinen Metallplatte besteht, um die Wärme aufzunehmen. Der Durchbruch liegt nicht in diesem bereits bestehenden Aufbau, sondern in der Tatsache, dass der emittierte Strahl nur wenige Dutzend Watt stark ist. Das Geheimnis ist die Verwendung eines kleinen quadratischen, im Labor gezüchteten Diamanten als optische Komponente, da dieser eine unvergleichliche Leistung liefert. Das System von LakeDiamond hält den Weltrekord für den Dauerbetrieb mit einer Wellenlänge im mittleren Infrarotbereich – es liefert mehr als 30 Watt in der Basiskonfiguration. „Das entspricht etwa 10.000 Laserpointern“, ergänzt Gallo.

Zu den wichtigsten Eigenschaften der im Labor gezüchteten Diamanten gehören hohe Transparenz und Wärmeleitfähigkeit. Um diese Dinge zu erreichen – und den Nanoätz-Prozess zu beherrschen – brauchten die Forscher mehr als zehn Jahre Entwicklungszeit. LakeDiamond baut seine Diamanten durch einen Prozess der chemischen Dampfabscheidung an, ein Ansatz, der ihre Reinheit und Reproduzierbarkeit gewährleistet. Die Oberflächen der entstehenden winzigen quadratischen Diamanten werden dann auf Nano-Niveau modelliert, wobei das Fachwissen aus dem Labor von Niels Quack an der EPFL genutzt wird. Dank ihrer inhärenten Eigenschaften und geätzten Formen sind die Diamanten in der Lage, Wärme auf eine kleine Metallplatte zu übertragen, die sie ableitet, während sie gleichzeitig Licht so reflektieren, dass ein Laserstrahl entsteht.

„Um mehr Leistung zu erreichen – zum Beispiel um eine größere Drohne aufzuladen – könnten diese Laser problemlos in Serie betrieben werden“, sagt Nicolas Malpiece, der für das Power Beaming am LakeDiamond zuständig ist. Das Fernladesystem des Unternehmens arbeitet im Labor, muss aber weiterentwickelt und verfeinert werden, bevor es für den Feldeinsatz bereit ist. Was würde passieren, wenn eine Drohne hinter einem Hindernis fliegt und von ihrer Laserenergiequelle abgeschnitten ist? Mehrere Ansätze für dieses Problem werden derzeit untersucht. Eine kleine Reservebatterie könnte vorübergehend übernehmen, oder, für Informationssammelmissionen über unwegsames Gelände zum Beispiel, könnte die Drohne einfach in Reichweite des Lasers zurückkehren, um ihre Batterie aufzuladen.

Dieses Energieübertragungssystem ist auch für andere Anwendungsbereiche interessant. Es kann beispielsweise zum Laden und Übertragen von Daten an Satelliten verwendet werden. Die Entwicklung des Systems ist Teil eines Förderprogramms des Schweizer Weltraumamtes, das am 1. November begann und zwei Jahre dauert.

Mehr Informationen:
Carving Diamanten für optische Komponenten: actu.epfl.ch/news/carving-diam …. -optische Komponenten/

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