Drohnen erobern die Lüfte dieser Welt. Bis 2022 könnten allein in den USA 700.000 der kleinen unbemannten Flugzeuge laut Behördenschätzungen den Himmel erkunden, Pakete liefern, den Verkehr überwachen, Brücken inspizieren und vieles mehr. Um diese Arbeit zu erledigen, braucht jede einzelne Strom, um ihre Rotoren zu drehen und ihre Sensoren zu betreiben. Die meisten bekommen diesen Strom von Batterien, die sie an Bord haben. Manche könnten den Strom auch mit Verbindungskabeln direkt aus dem Netz ziehen. Und dann gibt es da noch eine ganz andere Idee, die von einem Schweizer Unternehmen stammt: Drohnen könnten danke der Hilfe von Diamanten in der Luft bleiben.
Außerdem braucht es dazu noch Laser. Laserstrahlen, die durch Diamanten geschossen werden, um genau zu sein. Das klingt verdächtig nach der fiktiven Dilithium-Kristall-Konfiguration, die das Raumschiff Enterprise angetrieben hat – und geht durchaus in eine ähnliche Richtung. Laser gelten seit langem als mögliche Lösung, um Drohnen direkt mit Strom zu „bestrahlen“, indem sie ihr Licht auf Photovoltaikzellen richten, die an den Kleinflugzeugen befestigt sind. Forscher, Unternehmer und das Militär untersuchen diese Idee bereits.
Zu den wichtigsten Herausforderungen gehört es dabei, sicherzustellen, dass die Qualität des Laserstrahls und damit seine Fähigkeit, den Drohnen konstantes und starkes Licht zu liefern, mit der Entfernung nicht abnimmt. Forscher von LakeDiamond, einem Spin-off der Eidgenössischen Technischen Hochschule, glauben, dass ihre Lösung eine Art Dilithium-Kristall für Drohnen sein könnte.
Ein Diamant-Laser-Netzwerk für Drohnen
Sie haben einen künstlichen Diamanten entwickelt, der es möglich macht, einen Laserstrahl über viel größere Entfernungen aufrechtzuerhalten. Sie sagen auch, dass Diamant-Laser-Netzwerke am Boden Drohnen über große Entfernungen mit Strom versorgen könnten, ohne Energie mit dem Transport von großen Batterien zu verschwenden.
Pascal Gallo, CEO von LakeDiamond, sagt, dass der im Labor hergestellte Diamant des Unternehmens – ein glattes, winziges Rechteck, das direkt vor der Laserquelle platziert wird – eine Laserdiode mit niedriger Leistung in einen Strahl mit gleichmäßigen, parallelen Strahlen verwandeln kann, der mehrere hundert Meter reichen kann. Diamanten sind ausgezeichnete Wärmeleiter und lichtdurchlässig. Sie können einen hochdichten Laserstrahl nehmen, der viel Wärme erzeugt, und diese Wärme ableiten, so dass mehr Energie durchgelassen wird.
„Laser, die Diamanten in ihrem Hohlraum enthalten, können einen sehr intensiven, fast perfekten Lichtstrahl mit extrem geringer Divergenz erzeugen“, sagt Gallo und verweist auf die Tendenz eines Laserstrahls, sich auszubreiten und schwächer zu werden, wenn er weiter von der Quelle entfernt ist. (Das Laserlicht selbst wäre übrigens immer noch harmlos für Menschen, die hineinschauen oder mit dem Strahl in Kontakt kommen könnten.)
Die Edelsteine von LakeDiamond sind reiner als Naturdiamanten und werden durch die Schichtung von Kohlenstoffatomen in einem kristallinen Muster hergestellt – ihre Oberfläche wird so bearbeitet, dass darauf ein Spiegeleffekt erzeugt wird, der die Breite des Strahls bestimmt. Das aktuelle Testsystem, das das Unternehmen entwickelt hat, verwendet einen 1,55 Mikrometer großen Laser, der vier Watt liefert. Das entspricht etwa 10.000 Laserpointern. Er kann kleine Drohnen von der Größe einer Handfläche betreiben. Klingt erstmal nicht allzu hilfreich, ist aber schon groß genug, um „fliegende Kameras“ für unbestimmte Zeiträume aus bis zu 10 Metern Entfernung mit Energie zu versorgen. Der nächste Schritt, so Gallo, besteht darin, professionelle Drohnen mit bis zu 100 Watt Leistung in bis zu 100 Metern Entfernung anzutreiben. In den nächsten Jahren soll das voraussichtlich erreicht werden.
Die Solarzellen könnten das Problem sein
Es gibt allerdings noch ein anderes Problem, das dafür gelöst werden müsste. Robert Byer, Professor für Photonenforschung an der Stanford University, sagt, dass die heutige Lasertechnologie gut genug ist, um den Leistungsbedarf zu decken. „Selbst Laserpointer mit nur fünf Watt können ausreichen, um eine Drohne in der Nähe zu betreiben.“ Das Problem, sagt er, ist, dass Solarzellen nur etwa 200 Watt pro Quadratmeter erzeugen. Die Herausforderung ist also, die Solarzelle auf der Drohne groß genug zu konstruieren, um genug Strom zu erzeugen, ohne wegen ihrer Größe die Mission der Drohne zu gefährden.
Wenn es aber funktioniert, könnten Drohnen ganz ohne schwere Batterien fliegen, vorausgesetzt, sie bewegen sich entlang eines Netzwerks von stromübertragenden Lasern, das über GPS-basierte Ortungssysteme gesteuert wird. (Das Fluggerät hätte eine Batterie an Bord, die als Backup dient und genügend Energie für die Landung hat.) Bei der kompakten Größe der Stromversorgung am Boden könnten die Drohnen über Hunderte von Kilometern betrieben werden. Sogar ihre Batterien könnten im Flug aufgeladen werden, sollten sie sich vorher von den Lasern wegbewegt haben.
Um ein bisschen Geld zusätzlich zu verdienen, verkauft LakeDiamond seine Edelsteine übrigens auch auf dem ganz normalen Diamantenmarkt. Ein Ein-Karäter bringt dort schonmal über 10.000 Euro.
