用雷射遠程「餵」電力！科學家打造會散熱的機翼，讓無人機邁向無限續航
圖靈學院編輯部
2026-7-31
想像一下這個畫面：一架無人機在數百公尺的高空執行巡檢任務，它完全不需要降落更換電池，因為地面有一束看不見的「高能雷射光」正精準地射向它，源源不絕地為它注入電力！這聽起來很像科幻電影裡的場景，但由中國民航大學與清華大學組成的聯合研究團隊，正讓這件事變成現實。他們在國際期刊《Matter & Light》上發表了一項突破性研究，解決了雷射無線供電中最讓人頭痛的「電池發燙」問題，讓光電轉換效率飆上了 38.5%！
一、 雷射供電雖好，但電池會「中暑」！
「雷射無線能量傳輸」（Laser Wireless Power Transmission）是讓無人機實現長航時飛行的理想方案。雷射的方向性極好、傳輸距離遠，只要在地面或車輛上裝設雷射發射器，就能跨越山頭或高空幫無人機補充電力。但是，高功率雷射照射會產生巨大的熱量。傳統的接收電池（如鈣鈦礦雷射電池）被高強度雷射一照，內部溫度會急劇飆升。這就像讓人在烈日下狂奔一樣，電池會急劇「中暑」，內部的電子運動變得混亂，光電轉換效率大幅衰退。
二、 神奇奈米棒：既是「隔熱屏障」也是「材料醫師」
為了讓電池在高熱下依然保持「清醒」，研究團隊在鈣鈦礦電池內部植入了一層三硫化二銻（Sb2Se3）奈米棒。這些比頭髮絲還細數萬倍的棒狀結構，發揮了兩個關鍵魔力：
1. 微觀「垂直隔熱毯」
Sb2Se3這種材料本身的導熱能力極低（熱導率僅約 0.015 W/(m • K）。它就像在電池發熱源（碳電極）與脆弱的吸光層之間敷了一層防火毯，成功阻擋廢熱往回倒灌，讓電池核心溫度直接下降了 5.7 K！
2. 化學「修復工程師」
高能雷射照射容易破壞鈣鈦礦晶體，產生許多沒有配對好的鉛離子（Pb2+），這些缺陷就像路上的坑洞，會困住產生的電流。Sb2Se3 裡面的硒原子（Se）會主動與這些鉛離子手拉手結合，把路面填平，讓電子與電洞跑得又快又順！
三、 廢熱變寶物！「光電 + 熱電」的廢物利用術
既然隔熱毯把熱量擋在了外側，那這些熱量不就浪費了嗎？研究團隊可沒打算浪費！他們在電池背面貼了一塊「熱電發電晶片（Thermoelectric Device）」。這個晶片利用著名的「塞貝克效應」（Seebeck Effect）只要晶片兩端有溫差，就能源源不絕地產生電流！
因為隔熱毯把高溫聚集在熱端，冷端則暴露在飛行氣流中，形成了高達 20.8 K 的巨大溫差。光能發電，廢熱也發電，兩者疊加之下，在 1.2 W/cm2 的高功率雷射照射下，整體光電轉換效率衝上了 38.49%！
四、 會吹冷氣的機翼：一邊飛一邊散熱，升力還變大？
實驗室裡的數據再厲害，無人機真能飛得起來嗎？團隊把這套系統實裝到了 3D 列印的 NACA 4415 飛機機翼 上。為了讓熱電晶片的冷端保持涼爽，他們在機翼內部設計了特殊風道與「V 型渦流散熱鰭片」：
1. 天然冷氣：當無人機向前飛行時，風會自動從機翼前方的進氣口灌入，通過散熱鰭片帶走熱量。
2. 小漩渦大散熱：V 型溝槽能把順暢的氣流切編成微型的「空氣漩渦」，把死角的熱量全部捲走，將冷端溫度降低了近 8 K。
3. 附贈額外升力：氣流在機翼內部的轉折反作用力，還順便提升了機翼的空氣動力學升力，可謂一舉兩得！
在實測中，受雷射照射的機翼成功驅動無人機螺旋槳以 7,820 rpm 的高轉速持續運轉了 20 分鐘，期間轉速極其穩定，完全沒有因為發熱而掉速！
五、 未來展望：我們離「無限飛行」還有多遠？
這項研究巧妙結合了材料學（奈米棒修復）、熱學（廢熱回收）與航空工程（風道機翼）。未來，這項技術如果搭配成熟的雷射自動追瞄系統，將有機會應用在：
- 超長航時高空巡檢：電力、森林防火無人機可以連續工作幾天幾夜不降落。
- 災難現場緊急通信：在斷電斷網的災區，無人機可作為空中基地台，由地面車輛持續用雷射供電。
- 太空與衛星能源傳輸：在沒有空氣的近地軌道，這類光電-熱電複合系統也能極大化採集能量。
科幻小說裡的「無限續航飛行器」，正在這些科學家的努力下一步步變成現實！
參考文獻
Han, Y., Han, X., Zhang, Y., Wang, Z., Zhang, M., Wang, Z., Wang, M., Ye, L., Han, J., & Lin, H. (2026). Sb2Se3 nanocrystals enable efficient perovskite-thermoelectric tandem devices for laser-powered unmanned aerial vehicles. Matter & Light, 1, 100066. https://doi.org/10.1016/j.matlit.2026.100066
