Optical Power Beaming in the Lunar Environment

L’intérêt croissant mondial pour l’exploration lunaire nécessite des solutions énergétiques fiables pour des activités telles que la recherche scientifique, l’exploitation minière et l’habitation dans l’environnement hostile de la Lune. Les sources d’énergie traditionnelles et les systèmes de distribution font face à des défis importants en raison des fluctuations de température extrêmes et des cycles jour-nuit prolongés sur la Lune. Pour remédier à ces problèmes, la transmission de puissance par faisceau optique (optical power beaming, OPB) a émergé au cours des dernières années comme une solution prometteuse dans le cadre d’opérations lunaires. Depuis son apparition, la recherche sur l’OPB s’est principalement concentrée sur l’amélioration des efficacités de conversion au niveau des composants et sur la démonstration expérimentale de sa faisabilité pour des applications à petite échelle. En parallèle, des études sur l’exosphère lunaire ont apporté de nouvelles perspectives sur l’environnement de la Lune, notamment en révélant la présence de poussières dans cette exosphère, susceptibles de perturber divers systèmes sur place, comme les transmissions optiques. Ainsi, une lacune de recherche a émergé, à savoir si la poussière lunaire soulevée pouvait atténuer les transmissions optiques de haute puissance. De manière plus générale, les études existantes n’offrent pas de modèles complets intégrant à la fois les facteurs optiques, thermiques et environnementaux nécessaires pour évaluer la performance de l’OPB dans l’environnement lunaire. Par conséquent, cette recherche vise à combler ces lacunes en évaluant d’abord l’impact potentiel de la poussière lunaire soulevée sur la transmission d’énergie, puis en optimisant la performance du système OPB pour récolter efficacement de l’énergie à longue distance sur la Lune, tout en respectant les contraintes de taille, de poids et de puissance (size, weight, and power, SWaP).

Abstract

The rising global interest in lunar exploration necessitates reliable power solutions for activities such as scientific research, mining, and habitation in the Moon’s harsh environment. Traditional power sources, and distribution systems, face significant challenges due to the Moon’s extreme temperature fluctuations and prolonged day-night cycles. To address these issues, optical power beaming (OPB) has emerged over the past years as a promising solution. Since its inception, research on OPB has principaly focused on enhancing end-to-end efficiencies at the component level and experimentally demonstrating its feasibility for small-scale applications. In parallel, studies have increasingly provided new insights into the lunar environment, such as the dusty exosphere, which could disrupt many on-site systems, including optical transmissions. Thus, a gap has emerged in assessing whether lofted lunar dust (LLD) can attenuate high-power optical transmission. More generally, existing studies do not offer comprehensive models that integrate optical, thermal, and environmental factors necessary to evaluate the performance of OPB in the lunar environment. As a consequence, this research aims to address these gaps by first evaluating whether LLD affects power transmission, and then by optimizing the OPB system’s performance to efficiently harvest energy over long distances on the Moon, while adhering to size, weight, and power (SWaP) constraints.