Trådlös laddning av drönare fungerar redan, men bara under kontrollerade förhållanden och till ett brutalt pris i energi. Principen är enkel: en markbaserad laser skickar en tät ljusstråle mot en fotovoltaisk mottagare på drönarens undersida, och mottagaren gör om ljuset till ström som matar motorerna eller batteriet. Den senaste generationens mottagare rapporteras omvandla 38,49 procent av det inkommande ljuset till elektricitet. Resten blir värme.
Det är en siffra som förtjänar eftertanke innan någon skriver att drönare snart kan stanna i luften för alltid. Ett effektivare mottagarsteg löser nämligen bara ett av flera problem i kedjan mellan vägguttaget och propellrarna.
Vart tar den andra hälften av effekten vägen?
Verkningsgrad betyder hur stor del av den energi du stoppar in som kommer ut i användbar form. En mottagare på knappt 40 procent låter magert jämfört med en laddkabel, som förlorar några få procent. Men jämförelsen är orättvis. Kabeln överför energi genom en metalltråd. Lasern överför den genom luft, ibland över hundratals meter, till ett föremål som rör sig.
Problemet är att förlusterna sitter i flera steg efter varandra. Lasern har sin egen verkningsgrad när den omvandlar el från nätet till ljus. Strålen tappar energi i luften och träffar aldrig mottagaren perfekt. Först därefter kommer de 38,49 procenten in i bilden. Det som återstår ska sedan in i batteriet eller direkt till elektroniken, vilket kostar ytterligare några procent.
Tumregel: verkningsgrader multipliceras
Förluster i en energikedja adderas inte, de multipliceras. Tappar du en tredjedel i tre steg efter varandra har du inte 67 procent kvar utan omkring 30. Det är därför ett enskilt förbättrat steg sällan räcker för att göra ett system praktiskt användbart.
Värmen är svårare att lösa än verkningsgraden
Den energi som inte blir ström blir värme, och den värmen uppstår på ett litet område mitt på en flygande farkost. En drönare har inga marginaler att slösa på kylning. Varje gram kylfläns eller fläkt är ett gram mindre nyttolast, och luftflödet under propellrarna är svårt att styra dit man vill.
Därför är materialvalet i mottagaren minst lika intressant som procentsatsen. Nanokristallina material har kornstorlekar på nanometernivå, alltså miljondelar av en millimeter, vilket påverkar hur värme leds bort och hur materialet klarar upprepad upphettning. En mottagare som tappar prestanda så fort den blir varm är oanvändbar i ett verkligt uppdrag, även om labbsiffran ser bra ut vid rumstemperatur. (Vill du ha en bild av hur trångt det är om utrymmet ombord, se vår genomgång av vad som faktiskt sitter inuti en drönare.)
Kabeln vinner fortfarande i verkligheten
Den som köper en drönare i dag laddar med kabel, och det gäller även dyra proffsmodeller. Ta en DJI Neo som exempel: cirka 18 minuters flygtid per batteri, och en laddstation som tar tre batterier samtidigt. Batterierna har inbyggt skydd mot både överladdning och självurladdning, vilket är en del av varför de tål att ligga i väskan mellan uppdragen.
Den arbetsmetoden är svår att slå praktiskt. Du byter batteri på tjugo sekunder och är i luften igen medan de tömda cellerna fyller på. En lasersändare som ska rikta en stråle mot en rörlig drönare kräver siktlinje, uppriktning och en energikälla på marken som är betydligt större än en laddstation. Samtidigt har cellerna själva blivit klart bättre, vilket vi gick igenom när vi beskrev hur energitätheten gick från 150 till 300 wattimmar per kilo på tjugo år. Varje sådant steg gör tröskeln för trådlös laddning högre, inte lägre.
Vänd på det: drönaren som strömkälla
Den mest realistiska tillämpningen just nu handlar inte om att ladda drönaren, utan om att låta drönaren ladda annat. Sensorer i skogen, mätpunkter i ett vattenverk, givare i en bro. Sådana enheter drar milliwatt, inte hundratals watt, och de sitter still.
Forskning publicerad via NCBI visar att en drönare som flyger en optimerad bana i tre dimensioner kan maximera den totala energi som en grupp mottagare skördar under ett uppdrag. Poängen är att flyghöjd och rutt är en del av energiekvationen: kommer drönaren närmare varje mottagare i rätt ordning ökar den levererade effekten kraftigt, utan att sändaren behöver bli starkare. Det gör tekniken intressant för sensornätverk och IoT redan med dagens komponenter.
Fem hinder mellan laboratoriet och byggarbetsplatsen
Innan laserladdning blir ett verktyg för fastighetsinspektörer eller lantmätare måste fem saker lösas, och verkningsgraden är bara den första:
- Ögonsäkerhet. En stråle som orkar leverera flera hundra watt är farlig att korsa. Det kräver avspärrning, automatisk avstängning eller våglängder som är mindre skadliga.
- Siktlinje. Regn, dimma och damm sprider ljuset. Precis den typ av väder då inspektionsuppdrag ofta blir aktuella.
- Spårning. Strålen måste följa en drönare som rör sig i vind, med tillräcklig precision för att träffa en mottagare på några decimeter.
- Regelverk. Kraftfulla lasrar utomhus berör både flygsäkerhet och arbetsmiljö, och det finns inget färdigt tillståndsspår för det här.
- Kostnad. Marksändaren blir dyrare än drönaren. Det räknar hem sig bara vid uppdrag som kräver kontinuerlig närvaro, som bevakning av en fast punkt.
Det sista hindret pekar också ut var tekniken kommer först: fasta installationer där en drönare ska hänga över samma plats i timmar. Vi har skrivit mer om hur den här sortens strömförsörjning kryper in i andra branscher i Batteriteknikens tysta revolution.
Var tekniken landar först
Om du flyger kommersiellt och planerar inköp för de närmaste åren ska du inte räkna med trådlös laddning över huvudet. Köp fler batterier och en laddare som tar flera celler parallellt, för det är där du vinner faktisk flygtid per arbetsdag. Ska du bevaka en fast punkt dygnet runt är en kabelbunden drönare på lina fortfarande både billigare och mer förutsägbar än en laserlänk.
Driver du däremot sensornätverk ute i fält är läget ett annat. Där är det värt att titta på trådlös energiöverföring redan nu, eftersom effektbehovet är så lågt att dagens verkningsgrader räcker. En drönare som flyger en rutt och toppar upp trettio givare på vägen slipper du skicka en tekniker till.
Siffran 38,49 procent är alltså inte ett löfte om drönare som aldrig landar. Den är ett tecken på att mottagarsidan börjar bli tillräckligt bra för att flytta fokus till nästa flaskhals, och de flaskhalsarna heter värme, säkerhet och pengar.