En liten labbodlad diamant som mäter några millimeter per sida skulle en dag kunna göra det möjligt för civila drönare att laddas upp under flygningen genom en laser. Tack vare diamanten, laserstrålen kan förbli stark nog över en lång sträcka för att ladda fotovoltaiska celler på drönarnas yta. Detta system, som inte utgör något hot mot människors hälsa, utvecklas av EPFL spin-off LakeDiamond. Den skulle också kunna användas för att överföra både kraft och data till satelliter och har just inkluderats i de tio projekt som stöds under två år av det schweiziska rymdkontoret.

Drönare används för ett växande antal ändamål. Deras design blir allt mer effektiv, och teknikerna för att flyga dem förfinas hela tiden ytterligare. Men drönare har fortfarande samma svaga punkt:deras batteri. Detta gäller särskilt propellerdrönare, som är populära för informationsinsamling i farliga eller svåråtkomliga områden. Dessa drönare kan flyga i bara cirka 15 minuter åt gången eftersom deras motorer snabbt brinner igenom sina batterier. Ett sätt att ta itu med denna begränsning – utan att tynga drönarna ner – skulle vara att ladda upp dem medan de är i luften med hjälp av ett kraftstrålningssystem:en energirik laserstråle som styrs av ett spårningssystem och lyser direkt på solceller på drönarnas exteriör. .

Flera labb runt om i världen, inklusive i USA, har arbetat med denna idé de senaste åren. LakeDiamond, en EPFL spin-off baserad på Innovation Park, har nu visat möjligheten att använda en högeffektlaser för detta ändamål. Vad mer, LakeDiamonds laser avger en våglängd som inte kan skada mänsklig hud eller ögon - säkerhetsfrågan är av största vikt, eftersom systemet är avsett för användning med civila drönare. LakeDiamonds teknologi är uppbyggd kring diamanter som odlas i företagets labb och sedan etsas på atomnivå.

Världsrekord för makt

Trots utseende, standardlaserstrålar är inte så raka som de verkar:när de färdas, de expanderar lite, leder till en förlust i densitet allt eftersom. Men LakeDiamonds system producerar en laserstråle med en våglängd på 1,5 µm som, förutom att vara säker, kan resa mycket längre utan att tappa kraft. "System utvecklade av andra företag och labb, ofta för militära tillämpningar, använder lasrar som är mer kraftfulla och därmed farligare för människor, säger Pascal Gallo, VD för LakeDiamond. Hans företag tog motsatt väg:deras teknik förvandlar strålarna som sänds ut av en enkel lågeffektsdiod till en högkvalitativ laserstråle. Deras stråle har en större diameter, och dess strålar förblir parallella över en längre sträcka – i detta fall upp till flera hundra meter.

I LakeDiamonds laser, ljuset som produceras av en diod riktas mot en booster som består av reflekterande material, en optisk komponent och en liten metallplatta för att absorbera värmen. Genombrottet ligger inte i det här upplägget, som redan finns, men med det faktum att den utsända strålen bara är några dussin watt stark. Hemligheten är att använda en liten kvadratisk labbodlad diamant som den optiska komponenten, eftersom detta ger oöverträffad prestanda. LakeDiamonds system har världsrekordet för kontinuerlig drift med en våglängd i mitten av det infraröda området – det levererar mer än 30 watt i sin baskonfiguration. "Det motsvarar cirka 10, 000 laserpekare, " tillägger Gallo.

De labbodlade diamanternas nyckelegenskaper inkluderar hög transparens och värmeledningsförmåga. Att uppnå dessa saker – och bemästra nano-etsningsprocessen – tog forskarna över tio års utveckling. LakeDiamond odlar sina diamanter genom en process av kemisk ångavsättning, ett tillvägagångssätt som säkerställer deras renhet och reproducerbarhet. Ytorna på de resulterande små fyrkantiga diamanterna skulpteras sedan på nanonivå med hjälp av expertis utvecklad i Niels Quacks labb vid EPFL. Tack vare deras inneboende egenskaper och etsade former, diamanterna kan överföra värme till en liten metallplatta som leder bort den, samtidigt som ljuset reflekteras på ett sådant sätt att en laserstråle skapas.

"För att uppnå större kraft - säg att ladda en större drönare - kan dessa lasrar lätt användas i serie, säger Nicolas Malpiece, som är ansvarig för power beaming vid LakeDiamond. Företagets fjärrladdningssystem fungerar i labbet men kommer att kräva ytterligare utveckling och förfining innan det är klart för fältanvändning. Vad skulle hända om en drönare flyger bakom ett hinder och blir avskuren från sin laserenergikälla? Flera tillvägagångssätt för detta problem undersöks för närvarande. Ett litet reservbatteri kan ta över tillfälligt, eller, för informationsinsamlingsuppdrag över ojämn terräng till exempel, drönaren kunde helt enkelt återgå till laserns räckvidd för att ladda batteriet.

Detta energiöverföringssystem är också intressant för andra användningsområden. Den kan till exempel användas för att ladda och överföra data till satelliter. Utvecklingen av systemet ingår i ett stödprogram från det schweiziska rymdkontoret, som började den 1 november och pågår i två år.