Un petit diamant de laboratoire mesurant quelques millimètres de côté pourrait un jour permettre de recharger des drones civils en plein vol grâce à un laser. Grâce au diamant, le faisceau laser peut rester suffisamment puissant sur une longue distance pour recharger des cellules photovoltaïques à la surface des drones. Ce système, qui ne présente aucune menace pour la santé humaine, est développé par la spin-off de l'EPFL LakeDiamond. Il pourrait également être utilisé pour transmettre à la fois de l'énergie et des données aux satellites et vient d'être inclus dans les dix projets soutenus depuis deux ans par le Swiss Space Office.

Les drones sont utilisés à des fins de plus en plus nombreuses. Leurs conceptions sont toujours plus performantes, et les techniques pour les piloter sont constamment affinées. Mais les drones ont toujours le même point faible :leur batterie. C'est notamment le cas des drones à hélice, qui sont populaires à des fins de collecte d'informations dans les régions dangereuses ou difficiles d'accès. Ces drones ne peuvent voler que pendant environ 15 minutes à la fois car leurs moteurs brûlent rapidement leurs batteries. Une façon de remédier à cette limitation - sans alourdir les drones - serait de les recharger en altitude à l'aide d'un système de faisceau de puissance :un faisceau laser riche en énergie qui est guidé par un système de suivi et éclaire directement les cellules photovoltaïques à l'extérieur des drones. .

Plusieurs laboratoires dans le monde, y compris aux États-Unis, ont travaillé sur cette idée ces dernières années. LacDiamant, une spin-off de l'EPFL basée à Innovation Park, a maintenant démontré la faisabilité d'utiliser un laser de haute puissance à cette fin. Quoi de plus, Le laser de LakeDiamond émet une longueur d'onde qui ne peut pas endommager la peau ou les yeux humains - la question de la sécurité est primordiale, puisque le système est destiné à être utilisé avec des drones civils. La technologie de LakeDiamond est construite autour de diamants qui sont cultivés dans le laboratoire de l'entreprise et ensuite gravés au niveau atomique.

Record du monde de puissance

Malgré les apparences, les faisceaux laser standard ne sont pas aussi rectilignes qu'ils le paraissent :lorsqu'ils se déplacent, ils se dilatent très légèrement, entraînant une perte de densité au fur et à mesure. Mais le système de LakeDiamond produit un faisceau laser d'une longueur d'onde de 1,5 µm qui, en plus d'être sécuritaire, peut voyager beaucoup plus loin sans perdre de force. « Systèmes développés par d'autres sociétés et laboratoires, souvent pour des applications militaires, employer des lasers plus puissants et donc plus dangereux pour l'homme, " dit Pascal Gallo, PDG de LakeDiamond. Son entreprise a pris le contre-pied :leur technologie transforme les rayons émis par une simple diode de faible puissance en un faisceau laser de haute qualité. Leur faisceau a un plus grand diamètre, et ses rayons restent parallèles sur une plus longue distance – dans ce cas jusqu'à plusieurs centaines de mètres.

Dans le laser de LakeDiamond, la lumière produite par une diode est dirigée vers un booster composé de matériau réfléchissant, un composant optique et une petite plaque métallique pour absorber la chaleur. La percée ne réside pas dans cette configuration, qui existe déjà, mais avec le fait que le faisceau émis n'est puissant que de quelques dizaines de watts. Le secret est d'utiliser un petit diamant carré cultivé en laboratoire comme composant optique, car cela offre des performances inégalées. Le système de LakeDiamond détient le record du monde de fonctionnement continu utilisant une longueur d'onde au milieu de la gamme infrarouge - il fournit plus de 30 watts dans sa configuration de base. "Cela équivaut à environ 10, 000 pointeurs laser, " ajoute Gallo.

Les propriétés clés des diamants cultivés en laboratoire incluent une transparence élevée et une conductivité thermique. Atteindre ces objectifs – et maîtriser le processus de nanogravure – a pris aux chercheurs plus de dix ans de développement. LakeDiamond fait pousser ses diamants grâce à un processus de dépôt chimique en phase vapeur, une approche qui garantit leur pureté et leur reproductibilité. Les surfaces des minuscules diamants carrés résultants sont ensuite sculptées au niveau nano en utilisant l'expertise développée dans le laboratoire de Niels Quack à l'EPFL. Grâce à leurs propriétés inhérentes et à leurs formes gravées, les diamants sont capables de transférer la chaleur à une petite plaque métallique qui la dissipe, tout en réfléchissant la lumière de manière à créer un faisceau laser.

"Pour obtenir une plus grande puissance - disons pour recharger un plus gros drone - ces lasers pourraient facilement être utilisés en série, " dit Nicolas Malpiece, qui est en charge de la transmission de puissance à LakeDiamond. Le système de recharge à distance de l'entreprise fonctionne en laboratoire, mais nécessitera un développement et un raffinement supplémentaires avant d'être prêt à être utilisé sur le terrain. Que se passerait-il si un drone volait derrière un obstacle et était coupé de sa source d'énergie laser ? Plusieurs approches de ce problème sont actuellement à l'étude. Une petite batterie de secours pourrait prendre le relais temporairement, ou, pour des missions de collecte d'informations en terrain accidenté par exemple, le drone pourrait simplement revenir à portée du laser afin de recharger sa batterie.

Ce système de transmission d'énergie est également intéressant pour d'autres domaines d'application. Il peut par exemple être utilisé pour charger et transmettre des données vers des satellites. Le développement du système est inclus dans un programme de soutien du Swiss Space Office, qui a débuté le 1er novembre et s'étend sur deux ans.