技術者たちは初めて、レーザーを使ってスマートフォンを安全にワイヤレス充電する方法を考案した。
レーザー発射器から放たれる細く目に見えないビームは、部屋の向こうに置かれたスマートフォンに電力を届け、標準的なUSBケーブルと同じ速さでバッテリーを充電できる可能性がある。
これを実現するため、研究者たちは薄型の電力セルをスマートフォンの背面に取り付け、レーザーからの電力でスマートフォンを充電するようにした。
チームは安全機能も独自に設計した。レーザーからの余分な熱を放散するため、スマートフォンに金属製の平板ヒートシンクを取り付けたほか、誰かが充電ビームの経路に入ろうとするとレーザーを停止する、反射器を使った仕組みを備えた。
安全を第一に
「このシステムの設計では、安全性を最優先しました」と、共著者でワシントン大学のコンピューターサイエンス・工学准教授、シャム・ゴラコタ氏は言う。
「私たちは、迅速に作動する安全機構を備えたレーザー式充電システムを設計、構築し、試験しました。この機構により、人がレーザーの経路に入る前に、レーザー発射器が充電ビームを停止します」とゴラコタ氏は言う。
「充電ビームをすばやく停止する安全機構に加え、このプラットフォームには、充電ビームが発生させる余分な熱を放散するヒートシンクも備わっています」と、物理学・電気工学の助教で、分子工学・科学研究所の研究者でもあるアルカ・マジュムダール氏は言う。
「こうした機能により、このワイヤレス充電システムは、さまざまな商業施設や家庭での利用に必要な、強固な安全基準を満たしています。」
どのように機能するのか？
充電ビームは、近赤外線領域で集束ビームを発生させるよう設定されたレーザー発射器によって生成される。充電ビームを停止する安全システムの中核となるのは、低出力で無害なレーザーの「ガードビーム」だ。これらは充電用レーザービームと同じ場所に設置された別のレーザー光源から放たれ、物理的に充電ビームを「取り囲む」。
スマートフォンの電力セルの周囲に配置された、特注の3Dプリント製「再帰反射器」は、ガードビームをレーザー発射器のフォトダイオードへ反射して戻す。ガードビーム自体はスマートフォンに電力を供給しないが、スマートフォンから発射器へ反射して戻ることで、人がガードビームの経路に入ろうとしたことを検知する「センサー」として機能する。
レーザー発射器は、人の体の一部など、物体がガードビームのいずれかに触れると充電ビームを停止するよう設計されている。何十年にもわたる生理学研究に基づき、ガードビームが遮られたことを、人間の最も速い動きも検知できるほど迅速に感知できる。
「ガードビームは光速で発射器に反射して戻るため、私たちの最も速い動きよりも速く反応できます」とゴラコタ氏は言う。「そのため、人の動きによってガードビームが遮られると、発射器は一瞬のうちにそれを検知し、その人がビームに触れる前にシャッターを作動させて充電ビームを遮断します。」
次世代のナノスケール光デバイスはギガヘルツ周波数で動作すると予想されており、シャッターの応答時間をナノ秒単位に短縮できる可能性があると、マジュムダール氏は付け加える。
ビームは、スマートフォンの背面に取り付けた電力セルを介してスマートフォンを充電する。細いビームは、最大4.3メートル（約14フィート）離れた場所から、15平方インチの範囲に安定して2Wの電力を届けられる。一方、発射器を改造すれば、充電ビームの半径を広げ、12メートル（約40フィート）離れた場所から最大100平方センチメートルの範囲に照射できる。この拡張により、カウンターやテーブルのような広い充電面に発射器を向け、その面のどこに置かれたスマートフォンでも充電できる。
よりスマートな充電
研究者たちは、高周波の音響「チャープ音」を発して位置を知らせるよう、スマートフォンをプログラムした。チャープ音は人間の耳には聞こえないが、レーザー発射器に搭載された小型マイクで拾えるほど感度が高い。
「この音響測位システムにより、ユーザーが部屋の向こうにあるテーブルのような一般的な場所にスマートフォンを置いたとき、発射器がそれを検知できます」と、共同筆頭著者で電気工学の博士課程学生、ヴィクラム・アイヤー氏は言う。
発射器は、目的の充電面にスマートフォンがあることを検知すると、レーザーを点灯してバッテリーの充電を開始する。
「このビームは、スマートフォンをUSBポートに接続するのと同じ速さで充電します」と、共同筆頭著者で電気工学の博士課程学生、エリヤス・バヤティ氏は言う。「ただし、スマートフォンを接続する代わりに、テーブルに置くだけです。」
充電ビームによってスマートフォンが過熱しないよう、チームは電力セルの周囲に薄いアルミニウム片もスマートフォンの背面に取り付けた。これらの片はヒートシンクとして働き、充電ビームからの余分な熱を放散することで、レーザーによる数時間の充電を可能にする。さらに、ヒートシンクの片の上にほぼ平らな熱電発電機を取り付け、熱の一部を回収してスマートフォンの充電にも利用した。
研究者たちは、強固な安全機能と放熱機能によって、カメラやタブレット、さらにはデスクトップコンピューターなど、ほかの機器もレーザー式ワイヤレス充電が可能になると考えている。実現すれば、毎晩スマートフォンやタブレット、ノートパソコンをコンセントにつなぐ代わりに、いつかテーブルに置くだけで済むかもしれない。
