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Ein Diamant, um zivile Drohnen in der Luft zu laden
Mit einem kleinen industriellen Diamanten von wenigen Millimetern Kantenlänge könnten dank eines Lasers zivile Drohnen in der Luft geladen werden. Aufgrund seiner Eigenschaften kann die Kraft des Lichtbündels auf lange Strecken erhalten werden, um die Fotovoltaikzellen am Gerät zu speisen. Das für die Gesundheit ungefährliche, vom EPFL-Spin-off LakeDiamond entwickelte System kann auch Energie und Daten an Satelliten übertragen. Im Übrigen wurde es in die vom Swiss Space Office während zwei Jahren unterstützten Projekte aufgenommen.
Die Aufgaben der Drohnen werden vielfältiger, ihre Formen werden perfektioniert und ihre Wendigkeit wird besser, aber ihr Schwachpunkt bleibt unverändert: ihre Reichweite. Die insbesondere für die Überwachung schwer zugänglicher oder gefährlicher Gebiete eingesetzten Fluggeräte mit Propellern schneiden am schlechtesten ab. Ihre Motoren, die sehr viel Energie verbrauchen, bedingen zurzeit noch eine Rückkehr zur Basis nach rund 15 Minuten. Ein Mittel zur Verlängerung der Flugzeit ohne Erhöhung des Gewichts besteht darin, das Fluggerät durch einen Laserstrahl aufzuladen, der mithilfe eines Tracking-Systems auf Fotovoltaikzellen unten an der Drohne gerichtet wird.
Diese Idee wird seit einigen Jahren in mehreren Laboren der Welt und insbesondere in den USA verfolgt. Dank seines industriellen Diamanten und seines Nanostrukturierungsverfahrens ermöglicht das EPFL-Spin-off LakeDiamond nun die Verwendung eines Hochleistungslasers, der auf einer Wellenlänge sendet, die weder für die Haut noch die Augen gefährlich ist. Für eine Verwendung dieses Systems mit zivilen Drohnen ist diese Bedingung unverzichtbar.
Leistungsweltrekord
Das vom Start-up im Innovation Park entwickelte System verstärkt einen Laserstrahl mit einer nicht gefährlichen Wellenlänge (1,5 µm), damit er unter Beibehaltung seiner Kraft eine grössere Strecke zurücklegen kann. Ein Standardlaserstrahl ist nicht so gerade, wie man meinen könnte. Auf seinem Weg weist er kleine Divergenzen auf, die mit zunehmender Strecke zu einem Dichteverlust führen. «Die von anderen Unternehmen oder Laboren oft für militärische Anwendungen entwickelten Systeme nutzen stärkere Laser, die aber aufgrund ihrer Wellenlänge auch gefährlicher für die Gesundheit sind», erklärt CEO Pascal Gallo, dessen Start-up sich für den gegenteiligen Weg entschieden hat: Der von einer einfachen Diode ausgesendete Laserstrahl mit geringer Intensität wird in einen hochwertigen Laserstrahl mit grösserem Durchmesser umgewandelt, dessen Strahlen über eine weitere Strecke parallel verlaufen. So kann er seine Eigenschaften über mehrere hundert Meter bewahren.
«Dieser technologische Fortschritt ist dank eines besonderen Lasersystems möglich, bei dem das Licht einer Diode auf einen «Booster» geschickt wird, der aus einem reflektierenden Teil, einem optischen Element und einer kleinen Metallplatte für die Wärmerückgewinnung besteht.»
Das Verfahren ist zwar nicht neu, die Kraft des dadurch entstehenden Strahlenbündels von mehreren Dutzend Watt hingegen schon. Das Geheimnis liegt im kleinen Diamanten, der bei dieser Anwendung zu einem unvergleichlichen optischen Bauteil wird. Das System hat den Weltrekord für einen kontinuierlichen Vorgang auf einer Wellenlänge in der Mitte des Infrarotbereichs aufgestellt: mehr als 30 Watt im Grundmodus. «Dies entspricht rund 10’000 Laserpointern» betont der CEO.
Die Transparenz und die thermische Leitfähigkeit des kleinen Schmuckstücks aus dem Labor sowie die Strukturierung seiner Oberfläche sind das Ergebnis von mehr als zehn Jahren Forschung. Dank des bei der Herstellung verwendeten Verfahrens der chemischen Gasphasenabscheidung ist die Reinheit und Reproduzierbarkeit gewährleistet. Um alle Eigenschaften des winzigen Karbonwürfels zu nutzen, wird seine Oberfläche gemäss einem im EPFL-Labor von Niels Quack entwickelten Know-hows nanostrukturiert.» Aufgrund der Qualität des Materials und zu seiner Behandlung lässt der Diamant die Wärme auf eine kleine Metallplatte strömen, die sie abgibt, während seine optischen Eigenschaften das Licht so reflektieren, dass ein starker Laserstrahl entsteht.
«Um die Leistung zu erhöhen und beispielsweise eine grössere Drohne aufzuladen, können diese Laser einfach parallel angeordnet werden», betont Nicolas Malpiece, Verantwortlicher für Energieübertragung bei LakeDiamond. Dieses Fernladesystem funktioniert im Labor, wird aber noch einiger Verbesserungen und Weiterentwicklungen bedürfen, bevor damit im Alltag Drohnen aufgeladen werden können. Eine Frage brennt dem Leser sicherlich unter den Nägeln: Was passiert, wenn sich die Drohne hinter einem Hindernis befindet und von der Ladestation getrennt wird? Hierzu werden zurzeit mehrere Systeme geprüft. Eine kleine Hilfsbatterie könnte einspringen, oder bei Überwachungsaufträgen in gefährlichen Gebieten würde die Drohne ihren Standort verlassen und sich in eine bestimmte Entfernung zur Basis begeben, um «aufzutanken».
Dieses Energieübertragungssystem ist auch für andere Anwendungsgebiete interessant. Es kann beispielsweise zum Laden und für die Übertragung von Daten zu Satelliten verwendet werden. Die Entwicklung des Systems ist im Übrigen Teil eines Unterstützungsprogramms des Swiss Space Office, das am 1. November anfing und sich über zwei Jahre erstreckt.