А ведь для полноценного использования всех преимуществ дронов, им нужно висеть в небе часами. Ведь, например, крайне востребованный мониторинг газопроводов, железных дорог или аэрофотосъемка не ограничиваются получасом. Реально нужны часы работы аппарата в небе. Использование  беспилотников самолетного типа с двигателями внутреннего — не выход. Эти модели не слишком маневренны и не могут зависать в одной точке. Несомненно электрические коптеры удобнее, но с аккумуляторами у них просто беда. Ухищрения с частой заменой -хлопотны, а подмена одного коптера другим дороги.

Самое эффективное решение проблемы работа на привязи, с получением питания по проводам с земли. Но тут новая беда — провода тяжелые, их сдувает ветром вместе с дроном, да и полет не выше 200 м. С таким грузом на километр уже не заберешся. Предпринимаются попытки питать беспилотники по оптоволокну, отправляя наверх импульсы инфракрасного лазера. Оно вдесятеро легче металлического провода — но, увы, не предназначено для передачи больших мощностей и легко перегревается, что сильно усложняет дело.

Еще совсем недавно передача энергии с помощью лазеров вообще не имела смысла, потому, что их КПД составлял 10−20%. А с учетом потерь на передачу и преобразование света в электричество — на выходе были и вовсе жалкие проценты от исходного сигнала. И лишь в начале 2000-х, с появлением инфракрасных лазеров,  все начало меняться. Их КПД доходило до 40−50%, а за счет высокоэффективных фотоэлектрических пушек на основе арсенида галлия, преобразование света в электричество стало достигать от 40 до 70%.

У конструкторов зачесались руки и захотелось создать автономные беспилотники, которые смогут полностью обеспечить себя энергией от бортовых панелей солнечных батарей. Но излучение Солнца происходит в таком широком диапазоне волн, что панели не в состоянии эффективно уловить весь спектр излучения. А вот лазер может работать намного точнее. Лазерный луч имеет он строго определенную, что позволяет ювелирно подобрать материал фотоэлемента, для сбора максимального количества фотонов и соответсвенно получения максимальное количества энергии на выходе. Вес и размер такой конструкции будет снижаться, а эффективность расти.

Русские лазерные дроны

Реальный проект, над которым сейчас работают ученые, использует для передачи энергии инфракрасные лазеры с двумя длинами волн — 808 и 1064 нм. Канал передачи состоит из 808-нанометровый луч, который направляется на  фотоэлементы из арсенида галлия. При этом эффективность преобразования энергии достигает на практике уже 40%. Беда лишь в том, что такая длина волны при расстоянии в километр дает точку размером в метр, да еще и с размытыми краями. Другая длина волны  дает на километровом удалении пятно лишь в 3 см, но эффективность падает на  добрых 10%.

Таким образом зарядная станция с системой наведения способна непрерывно снабжать коптер энергией, если он находится в пределах эффективности лазерного луча, или периодически залетает в зону эффективности, придерживаясь определенно траектории. Таким образом можно держать дрон в небе часами и сутками, что уже экономически целесообразно.

Россияне не первые, кто активно разрабатывает лазерную передачу электроэнергии. В 2011—2012 годах такую разработку продемонстрировала компания Laser Motive, использовав БПЛА с обычной солнечной батареей, но эффективность преобразования энергии там была очень мала

Российский комитет инновационных проектов «Энергия» уже разработали эффективную систему наведения лазерного луча, которая точно удерживает беспилотник в зоне действия луча. Она следит за аппаратом, ориентируясь на отражение сигнала слабого «навигационного» лазера от уголкового отражателя на корпусе, с точностью до 0,1°. Дальнейшее наведение обеспечивает миниатюрное зеркало внутри оптической системы «лазерной пушки». Оно позволяет менять направление луча с точностью до тысячных долей градуса, ориентируясь на поток энергии от ячеек фотоприемника, и добиваться максимального уровня полученной энергии.

При испытаниях аппаратуры передачи в наземных условиях на крышах двух корпусов «Энергии», расположенных  в подмосковном Королеве, удавалось передавать энергию даже в дождь и туман на расстоянии до полутора километров. Сигнал прерывался лишь в условиях сильного задымления от промышленных агрегатов. При отсутствии задымления можно было спокойно заряжать сотовые электроэнергией переданной лазерным лучем. В 2017 году команда разработчиков планирует провести основные эксперименты и уже через два-три года выйти на рынок с базовой станцией лазерной передачи энергии. Использовать такую станцию можно будет как с БПЛА так и в наземных условиях. Затем планируется переход на орбитальные испытания в космосе.

В космосе лазерная передача энергии будет супер эффективна из-за отсутствия рассеивающих и поглощающих факторов. Классически космические аппараты питаются от солнечных батарей, имеющих очень большие площади и создающие целый комплекс проблем в условиях реального космоса. Повышение функциональности спутников требует все больше и больше электроэнергии на орбите, а с уменьшением размеров аппаратов места для солнечных батарей все меньше и меньше. Новые микроспутники имеют размер в десятки сантиметров и разместить на них панели нужной площади просто нереально. В результате технологическое сражение идет за каждый ватт и за каждый сантиметр. Жизненный цикл микроспутников несколько месяцев, после чего они просто сгорают в атмосфере, выполнив свой функционал. Но вот технологии лазерной передачи энергии, например с борта МКС, позволили бы в разы продлить срок службы таких аппаратов.

Апофеозом и триумфом лазерной технологии могла бы стать мощная атомная электростанция в виде спутника с лазерным передатчиком энергии. Такой агрегат на орбите смог бы запитать целую космическую флотилию с самым разным функционалом.