ท้องฟ้าที่ไม่มีวันแบตเตอรี่หมด: โดรนพลังงานเลเซอร์เปลี่ยนแปลงการขนส่ง, ภัยพิบัติ, และความมั่นคง

ประสิทธิภาพของโดรนกำลังพัฒนาอย่างรวดเร็ว กล้องความละเอียดสูง เซ็นเซอร์อินฟราเรด การบินอัตโนมัติโดยปัญญาประดิษฐ์ และความสามารถในการสำรวจที่แม่นยำสูง ขณะที่ความสามารถที่สามารถติดตั้งได้เพิ่มขึ้น แต่มีจุดอ่อนที่แทบไม่เปลี่ยนแปลงมานานหลายปี นั่นคือแบตเตอรี่

มัลติโคปเตอร์ขนาดเล็กมักมีเวลาในการบินจำกัดเพียงไม่กี่สิบนาที หากต้องการทำการสังเกตการณ์หรือสำรวจเป็นเวลานาน จะต้องสลับใช้หลายเครื่องหรือหยุดงานเพื่อเปลี่ยนแบตเตอรี่ สถานที่ที่ต้องการการสังเกตการณ์ต่อเนื่อง เช่น สถานที่เกิดภัยพิบัติ ป่าไม้ ทะเล ชายแดน หรือสถานที่สำคัญ ข้อจำกัดนี้ยิ่งหนักหน่วง

การวิจัยในประเทศจีนกำลังพยายามเอาชนะข้อจำกัดนี้ด้วยแสง ทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยการบินพลเรือนจีนและมหาวิทยาลัยชิงหัวได้พัฒนาระบบรับพลังงานที่แปลงแสงเลเซอร์ที่ฉายจากพื้นดินเป็นไฟฟ้าเพื่อขับเคลื่อนใบพัด

ประสิทธิภาพการแปลงแสงเป็นไฟฟ้าที่ประกาศคือ 38.49% หากดูแค่ตัวเลข เราอาจจินตนาการถึงอนาคตที่โดรนสามารถบินต่อเนื่องโดยไม่ต้องลงจอดด้วยการส่งพลังงานจากพื้นดิน แต่ผลลัพธ์นี้ไม่ใช่ "การบินถาวรที่สมบูรณ์" จำเป็นต้องแยกแยะขอบเขตที่ได้รับการพิสูจน์และปัญหาที่ต้องแก้ไขในอนาคต

การแปลงเลเซอร์เป็นพลังงานไฟฟ้าใต้ปีก

อุปกรณ์ที่พัฒนาขึ้นโดยทีมวิจัยมีโครงสร้างที่รวมเซลล์แบบเพอรอฟสไกต์ที่รับแสงเลเซอร์และองค์ประกอบการแปลงความร้อนเป็นไฟฟ้า

กลไกนี้คล้ายกับการผลิตไฟฟ้าจากแสงอาทิตย์ โดยเลเซอร์ถูกฉายจากอุปกรณ์ส่งพลังงานบนพื้นดิน และเซลล์รับแสงที่ติดตั้งใต้ปีกจะแปลงพลังงานแสงเป็นไฟฟ้ากระแสตรง ไฟฟ้านี้ใช้หมุนมอเตอร์หรือช่วยลดการใช้แบตเตอรี่ที่ติดตั้ง

การจ่ายพลังงานด้วยเลเซอร์มีพลังงานที่มุ่งเน้นในความยาวคลื่นเฉพาะ แตกต่างจากแสงอาทิตย์ที่มีความยาวคลื่นหลากหลาย ทำให้สามารถออกแบบวัสดุรับแสงให้สอดคล้องกับเลเซอร์ที่ส่งได้ง่าย วัสดุเพอรอฟสไกต์สามารถปรับคุณสมบัติการดูดซับได้โดยการปรับองค์ประกอบ ทำให้ง่ายต่อการสร้างอุปกรณ์ที่บางและเบา ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบใหญ่สำหรับโดรนที่น้ำหนักมีผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพการบิน

ในการทดสอบด้วยเลเซอร์สีเขียว อุปกรณ์รับพลังงานแปลงพลังงานแสงที่ฉายเข้าเป็นไฟฟ้าได้ 38.49% แต่ค่านี้ไม่ได้หมายความว่า 38.49% ของพลังงานไฟฟ้าที่อุปกรณ์ส่งพลังงานรับจากปลั๊กไฟจะส่งไปถึงตัวเครื่อง

ในระบบจริง จะมีการสูญเสียในหลายขั้นตอน เช่น การแปลงจากไฟฟ้าเป็นแสงเลเซอร์ การสร้างลำแสงด้วยอุปกรณ์แสง การส่งผ่านในบรรยากาศ และการแปลงกลับที่ตัวเครื่อง การประเมินความสามารถในการใช้งานจริงจึงต้องพิจารณาประสิทธิภาพรวมจากแหล่งกำเนิดไฟฟ้าถึงมอเตอร์ของตัวเครื่อง

ปัญหา "ความร้อน" ที่เกิดจากการเพิ่มกำลัง

การเพิ่มความแรงของเลเซอร์จะเพิ่มพลังงานที่สามารถรับได้ แต่ไม่ใช่พลังงานที่รับทั้งหมดจะถูกแปลงเป็นไฟฟ้า ส่วนที่ไม่ได้แปลงจำนวนมากจะกลายเป็นความร้อน

ในการทดสอบเบื้องต้น อุณหภูมิของอุปกรณ์รับพลังงานสูงถึง 80-90 องศา เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น ประสิทธิภาพการแปลงจะลดลง และอาจทำให้วัสดุเสื่อมสภาพ การยึดติดเสียหาย และมีผลกระทบต่อโครงสร้างของตัวเครื่อง หากความร้อนส่งไปยังแบตเตอรี่ ความเสี่ยงด้านความปลอดภัยก็จะเพิ่มขึ้น

สำหรับอุปกรณ์บนพื้นดิน สามารถเพิ่มพัดลมขนาดใหญ่หรือฮีทซิงค์ที่หนักได้ แต่สำหรับอากาศยาน การเพิ่มอุปกรณ์ระบายความร้อนจะเพิ่มน้ำหนักและแรงต้านอากาศ ทำให้ต้องใช้พลังงานในการบินมากขึ้น

ทีมวิจัยได้ควบคุมการเคลื่อนย้ายความร้อนโดยการวางนาโนคริสตัลของแอนติโมนเซเลไนด์ระหว่างชั้นเพอรอฟสไกต์และอิเล็กโทรด นอกจากนี้ยังใช้โครงสร้างที่นำกระแสลมที่เกิดจากใบพัดเข้าสู่ปีกเพื่อใช้ในการระบายความร้อนของอุปกรณ์รับพลังงาน

การปรับปรุงนี้มีความสำคัญในการทำความเข้าใจคุณค่าของการวิจัย ไม่เพียงแต่สร้างเซลล์ที่มีประสิทธิภาพสูงในห้องปฏิบัติการ แต่ยังพยายามจัดการกับความร้อน น้ำหนัก อากาศพลศาสตร์ และการระบายความร้อนเมื่อรวมเข้ากับอากาศยานจริง

การพิสูจน์ยังอยู่ในขั้นตอนโมเดล ไม่ใช่ "อากาศยานที่บินจริง"

จากหัวข้อข่าว "การชาร์จโดรนที่บินด้วยเลเซอร์" อาจทำให้บางคนจินตนาการถึงการทดสอบที่ยิงลำแสงจากพื้นดินไปยังอากาศยานที่บินอยู่กลางแจ้ง

แต่ข้อมูลการวิจัยที่เผยแพร่แสดงว่า ในขั้นตอนนี้อุปกรณ์รับพลังงานถูกติดตั้งใต้ปีกของโมเดลโดรนที่หยุดนิ่ง และใช้เลเซอร์ที่ฉายเพื่อขับเคลื่อนใบพัด เป็นการพิสูจน์แนวคิด ยังไม่ได้อยู่ในขั้นตอนการติดตามและบินโดรนน้ำหนักเบาจริงกลางแจ้งเป็นเวลานาน

ความแตกต่างนี้ไม่เล็กน้อย

สำหรับโมเดลที่ถูกยึดอยู่กับที่ การปรับลำแสงเลเซอร์ให้ตรงกับพื้นผิวรับแสงทำได้ค่อนข้างง่าย แต่สำหรับอากาศยานจริงที่ต้องเผชิญกับลม หมุน เปลี่ยนความเร็วและความสูง มุมของปีกก็เปลี่ยนแปลง หากลำแสงออกจากพื้นผิวรับแสง พลังงานที่จ่ายอาจลดลงอย่างรวดเร็ว

สำหรับฝั่งส่งพลังงาน จำเป็นต้องมีเทคโนโลยีที่สามารถระบุทิศทางและตำแหน่งของอากาศยานในเวลาจริง และคาดการณ์ทิศทางการเคลื่อนที่เพื่อให้เลเซอร์ติดตามได้ อาจต้องรวมกล้อง เซ็นเซอร์อินฟราเรด เรดาร์ และข้อมูลตำแหน่งที่ส่งจากตัวเครื่อง

การทำให้ลำแสงกว้างขึ้นจะทำให้ยิงได้ง่ายขึ้น แต่พลังงานจะกระจาย หากทำให้แคบลงจะสามารถจ่ายพลังงานได้หนาแน่น แต่ต้องการความแม่นยำในการติดตามและความปลอดภัยที่สูงขึ้น ความสมดุลที่ยากนี้เป็นกำแพงใหญ่ในการนำไปใช้จริง

ทีมวิจัยก็ได้ระบุว่าการติดตามแบบเรียลไทม์ที่แม่นยำเป็นปัญหาที่ต้องแก้ไขในอนาคต และมีแผนที่จะทำการทดสอบกลางแจ้งด้วยอากาศยานน้ำหนักเบาในขั้นตอนต่อไป

ฝน หมอก ควัน—ข้อจำกัดที่เกิดจากแสง

การจ่ายพลังงานด้วยเลเซอร์ต้องการการมองเห็นระหว่างอุปกรณ์ส่งและรับพลังงาน หากถูกบังด้วยอาคาร ต้นไม้ หรือภูมิประเทศ จะไม่สามารถส่งพลังงานได้

นอกจากนี้ ฝน หมอก เมฆ ฝุ่น หรือควันจากไฟไหม้สามารถกระจายหรือดูดซับแสง ลดพลังงานที่ถึงเป้าหมาย การวิจัยที่เกี่ยวข้องยังวิเคราะห์ว่าความแปรปรวนของบรรยากาศที่มีความรุนแรงปานกลางถึงสูงสามารถลดประสิทธิภาพของเครือข่ายการสื่อสารที่ใช้โดรนเลเซอร์ได้อย่างชัดเจน

นี่เป็นปัญหาที่น่าขัน เพราะสถานที่เกิดภัยพิบัติที่คาดหวังการจ่ายพลังงานด้วยเลเซอร์มักมีฝนตกหนัก ควัน หรือฝุ่นเกิดขึ้นได้ง่าย ในการเฝ้าระวังป่าไม้ ต้นไม้จะเป็นสิ่งกีดขวาง ในเมือง อาคารสูงหรืออากาศยานอื่นอาจเข้ามาในเส้นทางลำแสง

ดังนั้น ระบบที่ใช้งานจริงอาจไม่ใช่การใช้เลเซอร์เดียวครอบคลุมพื้นที่กว้าง แต่เป็นการวางจุดจ่ายพลังงานหลายจุดและสลับแหล่งส่งตามการเคลื่อนที่ของตัวเครื่อง อาจสร้าง "ทางเดินชาร์จ" ที่มองไม่เห็นในอากาศ ให้โดรนปฏิบัติภารกิจภายในขอบเขตนั้น

แม้ไม่ใช่การบินถาวรอย่างสมบูรณ์ก็ยังมีคุณค่า

แม้ไม่สามารถบินได้ตลอดไปด้วยเลเซอร์เพียงอย่างเดียว แต่หากสามารถลดการใช้แบตเตอรี่และยืดเวลาในการบินได้หลายเท่า ก็มีคุณค่าเพียงพอ

ในการตอบสนองต่อภัยพิบัติ สามารถส่งภาพจากพื้นที่ประสบภัยอย่างต่อเนื่อง ค้นหาผู้สูญหาย และถ่ายทอดการสื่อสารได้ ในกรณีไฟป่า สามารถสังเกตทิศทางการลุกลามและทิศทางลมได้เป็นเวลานาน ในพื้นที่ที่ถนนถูกตัดขาดจากน้ำท่วมหรือแผ่นดินไหว อาจใช้เป็นฐานสื่อสารชั่วคราวที่ลอยอยู่ได้

ในภาคการเกษตร สามารถตรวจสอบสภาพการเจริญเติบโตและโรคพืชในพื้นที่การเกษตรขนาดใหญ่ได้อย่างต่อเนื่อง ในการตรวจสอบโครงสร้างพื้นฐาน สามารถตรวจสอบสายส่งไฟฟ้า รถไฟ ท่อส่งน้ำมัน สะพาน และอุปกรณ์ทางทะเลได้เป็นเวลานาน สามารถบินเหนือเรือหรือรถไฟเพื่อสังเกตทิศทางการเคลื่อนที่และพื้นที่โดยรอบได้

ในด้านการขนส่ง อาจมีความเป็นไปได้ที่จะใช้งานเครื่องบินที่บินไปกลับตามเส้นทางที่กำหนดก่อนเครื่องบินส่งของที่บินได้ทุกที่ หากใช้ระบบที่บินระหว่างจุดที่ติดตั้งอุปกรณ์จ่ายพลังงานและเสริมพลังงานระหว่างทาง จะทำให้จำกัดขอบเขตการติดตามและพื้นที่ปลอดภัยได้ง่ายขึ้น

สหรัฐฯ ก็กำลังพัฒนา "เครือข่ายส่งพลังงานด้วยแสง"

การส่งพลังงานด้วยเลเซอร์ไม่ใช่หัวข้อวิจัยเฉพาะของจีน

โครงการ POWER ของสำนักงานโครงการวิจัยขั้นสูงด้านกลาโหมของสหรัฐฯ (DARPA) ในปี 2025 ได้ส่งพลังงานมากกว่า 800 วัตต์ไปยังอุปกรณ์รับที่อยู่ห่างออกไปประมาณ 8.6 กิโลเมตรเป็นเวลา 30 วินาที และส่งพลังงานมากกว่า 1 เมกะจูลตลอดช่วงการทดสอบ การทดสอบนี้ดำเนินการระหว่างอุปกรณ์บนพื้นดิน แต่แสดงถึงความเป็นไปได้ของการจ่ายพลังงานด้วยแสงระยะไกล

บริษัท PowerLight Technologies ของสหรัฐฯ กำลังพัฒนาระบบที่สามารถส่งพลังงานระดับกิโลวัตต์ขณะติดตามโดรนปีกคงที่ที่เคลื่อนที่ได้ ในปี 2026 มีรายงานว่าในการทดสอบที่เกี่ยวข้องกับกระทรวงกลาโหมสหรัฐฯ ได้ทำให้โดรนปีกคงที่ระดับทหารบินได้นานหลายชั่วโมง

ผลลัพธ์ของจีนในครั้งนี้มีลักษณะเด่นที่การรวมเซลล์รับแสงเพอรอฟสไกต์และการแปลงความร้อนเป็นไฟฟ้าเข้าด้วยกัน เพิ่มประสิทธิภาพและการระบายความร้อนของอุปกรณ์รับพลังงานที่มีน้ำหนักเบา ในขณะที่การพัฒนาของฝั่งสหรัฐฯ เน้นที่การส่งพลังงานระยะไกล การติดตามวัตถุเคลื่อนที่ การควบคุมความปลอดภัย และการสื่อสารกับตัวเครื่อง

แม้จะเป็นการจ่ายพลังงานด้วยเลเซอร์เหมือนกัน แต่การแข่งขันไม่ได้เป็นเพียงการเปรียบเทียบประสิทธิภาพการแปลงเท่านั้น แต่ยังเป็นการแข่งขันทางเทคโนโลยีที่ครอบคลุมตั้งแต่วัสดุศาสตร์ ออปติก การควบคุมการติดตาม การออกแบบอากาศยาน ไปจนถึงการดำเนินงานของเครือข่ายพลังงาน

ความต้องการสูงสุดอาจอยู่ในภาคการทหาร

หนึ่งในภาคส่วนที่ต้องการโดรนที่สามารถลอยอยู่ได้นานที่สุดคือการทหารและความมั่นคง

หากเครื่องบินสอดแนมสามารถบินได้นาน จะสามารถสังเกตการณ์การเคลื่อนไหวของหน่วยทหารหรือยานพาหนะได้อย่างต่อเนื่อง หากสามารถรักษาเครื่องส่งสัญญาณการสื่อสารไว้ในตำแหน่งสูง จะสามารถขยายขอบเขตการสื่อสารของหน่วยทหารบนพื้นดินได้ สามารถใช้ในการเฝ้าระวังชายแดน ชายฝั่ง และบริเวณรอบฐานได้

อย่างไรก็ตาม การจ่ายพลังงานด้วยเลเซอร์ทำให้ตัวเครื่องมีอิสระ แต่ก็สร้างการพึ่งพาอุปกรณ์ส่งพลังงานบนพื้นดิน ฐานที่มีแหล่งพลังงานขนาดใหญ่และอุปกรณ์ออปติกที่แม่นยำอาจถูกค้นพบและโจมตีได้ และขอบเขตการใช้งานอาจถูกจำกัดด้วยสภาพอากาศหรือภูมิประเทศ หากตำแหน่งของเลเซอร์ถูกตรวจจับโดยเซ็นเซอร์อ