无人机永不着陆？一束绿色激光，正在改写续航规则

搜狐科技《思想大爆炸——对话科学家》栏目第159期，对话中国民航大学理学院副教授韩建华。

嘉宾简介：

韩建华，中国民航大学理学院副教授。1990年4月出生，山西运城人。2019年7月毕业于清华大学材料科学与工程专业，获博士学位，同年以蓝天学者人才入职中国民航大学。主要研究方向为光电功能材料与器件等。

• 理论上讲，地面或空中平台都能发射激光，空中飞的无人机接收到激光会转化为电能，就能持续供电，不用反复降落充电或换电池。

• 更长远地看，这项技术的意义可能不止于无人机。凡是“移动平台+远程能量供给”这个组合成立的场景，理论上都可以尝试延伸——比如高空伪卫星、偏远地区的应急供电基站，甚至未来的太空太阳能传输。

• 科研就像建房子，基础学科是你的地基，专业深度是你的承重墙，而跨学科视野则让你知道该把窗户开向哪个方向。

出品｜搜狐科技

作者｜周锦童

我们不妨设想这样一个场景：一架无人机正在数百米高空执行巡检任务，按常规来说，可能40分钟就得返航换电池。但现在，地面一束绿色激光精准照射到它机翼下方的接收器上，它就能像战斗机在空中完成加油一样，继续飞行、继续工作。

近日，中国民航大学副教授韩建华作为论文通讯作者，与清华大学林红教授合作，在细胞出版社旗下期刊《Matter & Light》上发表了一项研究成果，就可以将这一设想变为现实。

他们基于钙钛矿激光电池—热电（PLC-TE）叠层器件，设计了一种轻量化接收器，可以将激光束能量转化为电能，为飞行中的无人机直接供能或充电。

从实验室里的材料优化，到无人机机翼下的集成验证，用激光给飞行中的无人机充电，目前进展如何？还存在什么问题？又有哪些应用前景？带着这些问题，搜狐科技对话了中国民航大学理学院副教授韩建华。

不止于无人机

激光远程供电应用场景广泛

“电池容量限制了无人机的长时间续航，这是我们整个研究的出发点。”韩建华开门见山。

用激光解决无人机续航问题也是韩建华团队两个研究兴趣点的自然交汇。一方面，团队在光伏器件领域已经有了多年的研究积累；另一方面，民用航空器也是中国民航大学的重点发展方向。

“我们一直对无人机的应用很感兴趣，我们看到无人机在巡检、物流等各个领域越来越重要，但‘电池续航’始终是瓶颈，于是我们开始思考：能不能利用我们在光电方面的经验，用一种新的方式来给无人机‘空中加油’？”韩建华补充道。

于是，他们想到了激光无线能量传输。

理论上讲，地面或空中平台都能发射激光，空中飞的无人机接收到激光会转化为电能，就能持续供电，不用反复降落充电或换电池。

至于为什么用绿色激光，是因为绿光有很好的人眼识别性，目前已经广泛用在测绘、医疗、工业加工等领域，相较于其它波长的激光绿光也拥有更好的主动安全性。

“再加上我们最近几年在研究CsPbBr3（铯铅溴）钙钛矿电池，恰好高稳定性的CsPbBr3这类钙钛矿材料在520nm绿光波段有很好的响应，我们觉得这条路值得一试。”韩建华如是说。

谈及为什么会选择激光时，韩建华表示：“我们主要看中了它在远距离、方向性、光斑面积可调、大功率传输上的独特优势。”

团队当时也做过一些对比。像微波或电磁感应这类方案，在近距离充电确实方便，但能量会随距离增加急剧发散，发射端和接收端的距离不能太远，且两者相对运动有较强的限制。对于需要在开阔空域飞行的无人机来说，想用它们实现高效、远距离的能量传输，发射和接收装置会非常庞大，不太现实。

“激光则不同，它的光束方向性极好，能量密度高，允许接收端灵活移动，可以在较远距离上把能量精确地传输到无人机的小型接收器上。这是我们选择它作为技术路径的核心考量，也是它能成为无人机‘空中充电’理想方案的关键原因。当然，光伏方向的研究积累也使得我们去做激光无线能量传输更能得心应手。”韩建华解释道。

在韩建华看来，这项技术未来的应用场景是非常广泛的，但最直接的应用还是为无人机远程供电。

“想象一下，未来无人机在执行巡检、灾害监测或物流配送时，不用频繁降落更换电池或充电，地面或空中平台发射一束安全的激光就能让它在空中持续工作。这不仅能大幅延长续航时间，还能让无人机飞得更远、更灵活。”

“更长远地看，这项技术的意义可能不止于无人机。凡是‘移动平台+远程能量供给’这个组合成立的场景，理论上都可以尝试延伸——比如高空伪卫星、偏远地区的应急供电基站，甚至未来的太空太阳能传输。当然这些都是很远的设想。”韩建华举例道。

工程化设计要兼容平台

回到研究本身，韩建华设计的PLC-TE叠层器件，核心是一个“针对激光而非太阳光优化过的‘太阳能电池’”。

钙钛矿太阳能电池能把光转化成电，但不同组分的钙钛矿对光的响应范围不同。铯铅溴钙钛矿的带宽较宽，导致光响应范围窄，在太阳光谱中能捕获的光有限，所以太阳能电池领域做的人比较少。但它的突出优点是极其稳定、耐辐照。

韩建华的逻辑很直接：“我不需要它响应宽光谱，只需要它对绿光响应好就行，而铯铅溴钙钛矿恰恰在绿光波段有很好的响应。用激光这个单一波长去打，就不再需要考虑光谱范围匹配的问题，只要在绿光这个很窄的波长范围效率够高就可以。”

因此，在高功率的激光照射下，铯铅溴电池把大部分光转化为电，但未被利用的部分会产生热量。随着激光功率提升，发热会越来越严重，导致器件温度升高、效率和寿命双双下降。

为了解决这个问题，他们利用热电材料“一端高温一端低温就能转换成电”的特性，把热量这个“麻烦”变成“帮手”。具体做法就是让激光电池贴在热电的热端，冷端则连接机翼的散热通道和散热鳍片，让冷端尽可能冷、热端尽可能热，温差越大热电转换效率越高。同时，热电层本身还能带走一部分热量，帮助光伏模块降温。

“我们用高功率激光测试该器件时，也想到会发热，但没想到热像仪的显示温度达到80-90℃，是远高于我们预期的，当时我们就意识到，如果不解决发热，随着激光功率的提升，效率会严重衰减，器件寿命也会受损。”

于是，为了解决这个问题，他们还在钙钛矿层上部嵌入了低导热率的Sb2Se3纳米棒，这种纳米棒导热系数极低，相当于筑起一道“热阻隔墙”。

碳层连着热电热端，热量被堵在碳层那一侧后，只能往热端方向走，而不会倒灌到钙钛矿核心工作区。这样一来，既保证了热电模块有足够的热量来源，又不让钙钛矿层因为过热而性能衰减。

其实，从实验室的器件到无人机机翼下的集成系统并非是一蹴而就的。在韩建华看来，这项研究最大的挑战就是“如何组装高质量的器件并让器件合理适配机翼进行高效的工作”。

最开始他们有一个理想化的设计：让器件贯穿机翼，利用上下表面气流散热。但很快发现这根本不现实。因为翼太薄升力不足，结构强度也不够，而这种设计又对器件厚度要求极为苛刻。

后来他们完全推翻了方案，改为设计了一个“小翼通道结构”：把器件嵌入机翼内部，利用复合机翼的内部通道结合散热小鳍引导气流主动散热。这既解决了机翼与器件的厚度兼容问题，保留了机翼的气动外形，又进一步强化了器件的散热。

“工程化不是简单地给器件找个位置，而是要从一开始就把‘如何与平台兼容’作为核心设计变量来考虑。这也是我们的工作与以往纯材料研究最大的不同之处。”韩建华如是说。

下一步要让无人机真正靠激光供电飞起来

谈到这，有很多网友好奇，既然要给飞行中的无人机充电，为什么研究要选择静态的模型而非真实飞行的模型呢？

对此，韩建华表示：“选择静态无人机模型，主要是为了在进入成本高昂、风险更大的真实飞行前，先完成最关键的概念验证。”

一方面要验证集成方案的可行性，证明设计的“器件-机翼-散热通道”集成方案在物理上是能装进去、能散热、能稳定工作的。另一方面要验证系统功能，在简化、可控的条件下，检验激光照射下整个系统能否实际产生足够的电力来驱动大尺寸螺旋桨（相较于电池尺寸），实现从“光”到“动”的完整闭环。

“换句话说，静态实验是我们从‘0到1’迈出的第一步，它的成功给了我们信心，告诉我们这个方向在工程上是有希望的。而‘从1到100’的跨越是在真实飞行的无人机上验证这项技术，正是我们下一步的核心目标。”韩建华如是说。

现如今，在团队的共同努力下有了不错的结果。用绿色激光照射，系统已经实现了38.49%的入射能量转化为电能。

“据我们了解，在同类条件下，我们的测试效率还是比较突出的。但要谈商业化应用，这个数字虽然不错，却只是起点。”韩建华评价道。

毕竟真实的户外环境要远比实验室复杂。风、温度变化、无人机自身的振动都会影响性能。同时，整个系统的重量、体积、成本，以及精准追踪和安全监管的关键性都是决定它能否商用的核心因素。

因此，技术突破只是其中一环，后续还需要整个产业链的协同推进。

下一步他们计划将完整的供电系统集成到一架轻型无人机平台上，进行实际的飞行验证。选择轻型无人机是因为它更灵活、成本相对可控，也更容易反复迭代测试。

在韩建华看来，让这架无人机真正靠激光供电飞起来，即便只是短时间的滞空，也意味着他们从“地面概念验证”跨越到了“实际飞行验证”这个全新的阶段。当然，这其中还有大量工程问题要解决，这也是团队接下来的核心目标。

“我们最近也有一个新的研究发表，这个研究里面我们在气垫轨道上通过激光照射将微型无人机在小角度斜坡上实现了成功攀爬。”韩建华分享道。

对话最后，韩建华也谈了谈青年学子应该怎么打基础的问题。

“我的建议是‘先深钻，再拓展’。在本科高年级到博士阶段，最好能选择一个自己感兴趣的领域深入研究下去，搞清楚它的理论框架、实验方法和核心问题。这个过程会训练你解决复杂问题的能力，建立学术自信。等你有了扎实的积累之后，再横向去了解相邻学科。你会发现，不同学科的方法论会相互启发，但前提是你要有一个足够深的‘锚点’。”

此外，他还特别强调了两点：一是要重视实验动手的能力，再漂亮的仿真也替代不了在实验中发现异常现象的直觉；二是要培养系统思维，不要只盯着单一性能指标，要习惯问“这个参数在真实场景中意味着什么”。

“科研就像建房子，基础学科是你的地基，专业深度是你的承重墙，而跨学科视野则让你知道该把窗户开向哪个方向。”韩建华如是说。

论文链接：

http://doi.org/10.1016/j.matlit.2026.100066

https://doi.org/10.1002/adfm.77593

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