Wer heute eine Drohne einsetzt, rechnet in Dreiviertelstunden. Länger als etwa 45 Minuten bleiben die meisten Fluggeräte nicht in der Luft, dann muss der Akku gewechselt oder geladen werden – ein Takt, der Inspektionsflüge über Gleisanlagen, Windrädern oder Waldgebieten zerstückelt. Ein Team um Jianhua Han von der Civil Aviation University of China hat nun einen Empfänger gebaut, der diesen Takt aufbrechen könnte: Er lädt die Drohne aus der Ferne per Laserstrahl auf, während sie fliegt.
Der Trick steckt in einem doppelt aufgebauten Bauteil unter der Tragfläche. Die obere Lage besteht aus Perowskit, einem Halbleitermaterial, das hier nicht auf Sonnenlicht, sondern auf das schmale Farbspektrum eines Lasers optimiert ist und daraus direkt Strom erzeugt. Darunter sitzt eine thermoelektrische Schicht, die aus dem Temperaturunterschied zwischen der bestrahlten und der abgewandten Seite zusätzliche Energie zieht – also gerade jene Wärme nutzt, die bei einer gewöhnlichen Solarzelle verloren ginge.
Genau diese Wärme war zunächst das Hauptproblem. Unter starker Bestrahlung heizte sich das Bauteil auf 80 bis 90 Grad Celsius auf, deutlich mehr als erwartet, und drohte Schaden zu nehmen. Die Forschenden bauten deshalb spezielle Nanokristalle in die Zelle ein, die Wärme schlecht leiten und den Wärmefluss bremsen. So hält der Empfänger längerer Bestrahlung stand – und behält seinen Wirkungsgrad.
Der fällt bemerkenswert aus: Im Test wandelte das Bauteil 38,49 Prozent der eintreffenden Laserenergie in Strom um. Die Messungen entstanden an einer quadratischen Zelle mit 1,2 Zentimetern Kantenlänge, die mit grünem Laserlicht der Wellenlänge 530 Nanometer und einer Leistungsdichte von 1,2 Watt pro Quadratzentimeter bestrahlt wurde; im Windkanal reichte die gewonnene Energie, um einen Propeller anzutreiben. Vorgestellt haben die Forschenden ihre Ergebnisse im Cell-Press-Fachjournal Matter & Light.
Praktisch nützlich ist an dem Aufbau auch, dass die Drohne ihr eigenes Kühlproblem löst: Der Luftstrom der Propeller kühlt im Flug die abgewandte Seite der thermoelektrischen Schicht und hält so den Temperaturunterschied aufrecht, aus dem sie Strom gewinnt.
Bis zur Anwendung ist es dennoch weit. Bisher hat das Team ausschließlich im Labor an einem feststehenden Modell gemessen; als Nächstes soll die Technik an einer fliegenden Drohne im Freien erprobt werden, und die Forschenden verweisen selbst auf zahlreiche ungelöste ingenieurtechnische Fragen. Gelingt der Schritt, ändert sich der Zuschnitt vieler ziviler Einsätze: Drohnen, die Wälder kontrollieren, Katastrophengebiete beobachten oder Pakete ausliefern, müssten für Energie nicht mehr zwischenlanden. "Die Batterielaufzeit ist zu einer der größten Hürden geworden, je längere Missionen Drohnen übernehmen", sagt Han.