Cercetătorii construiesc o dronă ultrauşoară care zboară cu solar la bord

Unde se duce? Se ridică! —

Designul bizar folosește un motor alimentat cu energie solară, care este optimizat pentru greutate.

Miercuri, cercetătorii au raportat că au dezvoltat o dronă pe care o numesc CoulombFly, care este capabilă să plutească auto-alimentată atâta timp cât Soarele strălucește. Drona, care are forma unui vehicul aerian pe care l-ați mai văzut până acum, combină celule solare, un convertor de tensiune și un motor electrostatic pentru a conduce o elice asemănătoare elicopterului – toate componentele fiind optimizate pentru un echilibru între eficiență și lumină. greutate.

Înainte ca oamenii să fie entuziasmați să cumpere unul, lista de avertismente este extinsă. Nu există hardware de control la bord, iar drona oricum nu este capabilă să zboare direcționată, ceea ce înseamnă că s-ar deplasa în vânt dacă ar fi eliberată vreodată în aer liber. Multe dintre componente par, de asemenea, destul de fragile. Cu toate acestea, designul poate fi miniaturizat, iar cercetătorii au construit o versiune care cântărește doar 9 miligrame.

Construit în jurul unui motor

O cheie a acestei dezvoltări a fost recunoașterea cercetătorilor că majoritatea dronelor folosesc motoare electromagnetice, care implică o mulțime de bobine metalice care adaugă greutate semnificativă oricărui sistem. Așadar, echipa din spatele lucrării a decis să se concentreze pe dezvoltarea unui motor electrostatic ușor. Acestea se bazează pe atracția și repulsia sarcinii pentru a alimenta motorul, spre deosebire de interacțiunile magnetice.

Motorul dezvoltat de cercetători este destul de mare în raport cu dimensiunea dronei. Este format dintr-un inel interior de plăci încărcate staționare numite stator. Aceste plăci sunt compuse dintr-o placă subțire din fibră de carbon acoperită cu folie de aluminiu. Când sunt în funcțiune, plăcile învecinate au sarcini opuse. Un inel de 64 de plăci rotative îl înconjoară.

Motorul începe să funcționeze când plăcile din inelul exterior sunt încărcate. Deoarece una dintre plăcile din apropiere de pe stator va fi garantată să aibă sarcina opusă, tracțiunea va începe rotirea inelului rotativ. Când plăcile statorului și rotorului ajung la cea mai apropiată apropiere, firele subțiri vor intra în contact, permițând transferul sarcinilor între ele. Acest lucru asigură că statorul și plăcile rotorului au acum aceeași sarcină, transformând atracția într-o repulsie. Acest lucru menține rotorul în mișcare și garantează că placa rotorului are acum sarcina opusă față de următoarea placă a statorului de pe linie.

Aceste sisteme necesită de obicei foarte puțin amperaj pentru a funcționa. Dar necesită o diferență mare de tensiune între plăci (ceva la care vom reveni).

Când este conectat la o elice cu opt pale de 10 centimetri, sistemul ar putea produce o ridicare maximă de 5,8 grame. Acest lucru le-a oferit cercetătorilor ținte clare de greutate atunci când proiectează componentele rămase.

Gata să plutească

Celulele de energie solară au fost realizate dintr-o peliculă subțire de arseniură de galiu, care este mult mai scumpă decât alte materiale fotovoltaice, dar oferă o eficiență mai mare (conversie de 30 la sută în comparație cu numerele care sunt de obicei la mijlocul anilor 20). Acest lucru tinde să ofere opusul a ceea ce are nevoie sistemul: curent rezonabil la o tensiune relativ scăzută. Deci, sistemul avea nevoie și de un convertor de putere de înaltă tensiune.

Aici, cercetătorii au sacrificat eficiența pentru greutatea redusă, aranjând o grămadă de convertoare de tensiune în serie pentru a crea un sistem care cântărește doar 1,13 grame, dar care crește tensiunea de la 4,5 V până la 9,0 kV. Dar face acest lucru cu o eficiență de conversie a puterii de doar 24 la sută.

CoulombFly rezultat este dominat de motorul mare cilindric, care este în vârf de elice. Suspendat dedesubt este o platformă cu celule solare pe o parte, echilibrate de convertorul de putere lung și subțire pe cealaltă.

Pentru a-și testa sistemul, cercetătorii au deschis pur și simplu o fereastră într-o zi însorită la Beijing. Începând cu prânz, drona a decolat și a plutit timp de peste o oră, iar toate indicii sunt că ar fi continuat să facă acest lucru atâta timp cât lumina soarelui a furnizat suficientă putere.

Sistemul total a necesitat puțin peste jumătate de watt de putere pentru a rămâne în sus. Având în vedere o masă totală de 4 grame, aceasta duce la o eficiență de ridicare la putere de 7,6 grame per watt. Dar o mare parte din această putere se pierde în timpul conversiei tensiunii. Dacă vă concentrați numai pe motor, acesta necesită doar 0,14 wați, oferindu-i o eficiență de ridicare la putere de peste 30 de grame per watt.

Cercetătorii oferă o listă lungă de lucruri pe care le-ar putea face pentru a optimiza designul, inclusiv creșterea cuplului motorului și a ridicării elicei, plasarea celulelor solare pe componente structurale și creșterea eficienței convertorului de tensiune. Dar un lucru pe care nu trebuie să-l optimizeze este dimensiunea vehiculului, deoarece au construit deja o versiune miniaturizată care are doar 8 milimetri înălțime și cântărește doar 9 miligrame, dar este capabilă să genereze un miliwatt de putere care își rotește elicea la peste 15.000 rpm.

Din nou, toate acestea se fac fără nici un circuit de control la bord sau hardware-ul necesar pentru a muta mașina oriunde – practic le zboară în cuști pentru a le împiedica să rătăcească în briza. Dar se pare că există suficientă marjă de manevră în ceea ce privește greutatea încât să fie posibilă ceva hardware suplimentar, mai ales dacă gestionează unele dintre potențialele optimizări pe care le-au menționat.

Natura, 2024. DOI: 10.1038/s41586-024-07609-4 (Despre DOI).