Ny Utveckling av Solcellsdrivna Flygfarkoster
Forskare i Kina har byggt vad de påstår är världens minsta och lättaste solcellsdrivna flygfarkost. Den är så liten att den får plats i en människas handflata, väger mindre än en amerikansk nickel och kan flyga obegränsat så länge solen skiner på den. Dessa mikroflygfarkoster (MAVs) är lika stora som insekter och fåglar och kan vara användbara för spaning och andra potentiella tillämpningar. Men ett stort problem för MAVs är deras begränsade flygtid, som vanligtvis är omkring 30 minuter. Ultralätta MAVs—de som väger mindre än 10 gram—kan ofta bara hålla sig i luften i mindre än 10 minuter.
Förlängd Flygtid med Solenergi
En potentiell lösning för att hålla MAVs flygande längre är att driva dem med en konstant energikälla såsom solljus. Nu har forskare utvecklat vad de säger är den första solcellsdrivna MAV som klarar av långvarig flygning. Den nya ultralätta MAV:n, med namnet CoulombFly, väger endast 4,21 gram och har ett vingspann på 20 centimeter. Detta är ungefär tio gånger mindre och cirka 600 gånger lättare än den tidigare minsta solcellsdrivna flygfarkosten, en quadcopter som är två meter bred och väger 2,6 kilogram.
Drömmar om Framtiden
“Mitt yttersta mål är att skapa en väldigt liten flygfarkost, ungefär i storlek och vikt som en mygga, med ett vingspann under 1 centimeter,” säger Mingjing Qi, professor i energi- och kraftteknik vid Beihang University i Peking. Qi och hans forskarteam har utvecklat en prototyp av en sådan flygfarkost, som mäter 8 millimeter i bredd och väger 9 milligram, men den kan ännu inte flyga av egen kraft. Qi tror att med den pågående utvecklingen av mikrocirkulationsteknik kan de uppnå detta mål.
Innovativ Motorlösning
Tidigare solcellsdrivna flygfarkoster har typiskt förlitat sig på elektromagnetiska motorer, vilka använder elektromagneter för att skapa rörelse. Men ju mindre en solcellsdriven flygfarkost blir, desto mindre yta har den för att samla in solljus, vilket minskar mängden energi den kan generera. Dessutom minskar effektiviteten hos elektromagnetiska motorer kraftigt när fordonen minskar i storlek. Mindre elektromagnetiska motorer upplever större friktion jämfört med större, samt större energiförluster på grund av elektrisk resistans från deras komponenter. Detta leder till låg lyft-till-energi-effektivitet, förklarar Qi och hans kollegor.
Elektrostatisk Motor
CoulombFly använder istället en elektrostatisk motor, som skapar rörelse med hjälp av elektrostatiska fält. Elektrostatisk motorer används generellt som sensorer i mikromekaniska system (MEMS), inte för flygdrift. Trots det, med en massa på endast 1,52 gram, har den elektrostatisk motor som forskarna använt en lyft-till-energi-effektivitet som är två till tre gånger högre än andra MAV-motorer.
Motorstrukturen
Den elektrostatisk motorn har två inre ringar. Den inre ringen är en roterande rotor med 64 skovlar, var och en tillverkad av ett kolfiberark täckt med aluminiumfolie. Det liknar ett rät plankstaket som är krökt till en cirkel, med mellanrum mellan plankans stolpar. Den yttre ringen är utrustad med åtta växelvisa par av positiva och negativa elektrodplattor, som också är gjorda av kolfiberark som är bundna till aluminiumfolie. Varje plattas kant har också en borste gjord av aluminium som rör vid den inre ringens skovlar.
Propeller och Solceller
Ovanför CoulombFlys elektrostatisk motor finns en propeller med en diameter på 20 centimeter som är ansluten till rotorn. Under motorn finns två högpresterande tunnfilms gallium arsenid-solceller, vardera 4 x 6 centimeter i storlek, med en massa på 0,48 gram och en energikonverteringseffektivitet på mer än 30 procent.
Testframgångar
Under naturliga solljusförhållanden—omkring 920 watt ljus per kvadratmeter—tog CoulombFly framgångsrikt av inom en sekund och höll sig i luften i en timme utan någon försämring i prestanda. Potentiella applikationer för solcellsdrivna MAVs inkluderar långdistans- och långvarig flygspaning, säger forskarna.
Potential för Framtida Last
CoulombFlys framdrivningssystem kan generera upp till 5,8 gram lyftkraft. Detta innebär att den skulle kunna bära en extra last på cirka 1,59 gram, vilket är tillräckligt för att rymma de minsta tillgängliga sensorerna, styrenheterna, kamerorna och så vidare, för att stödja framtida autonoma operationer, säger Qi. “Just nu finns det mycket utrymme för att förbättra saker som motorer, propellrar och kretsar, så vi tror att vi kan få den extra lastkapaciteten upp till 4 gram i framtiden. Om vi behöver ännu mer lastkapacitet, skulle vi kunna byta till quadcopters eller fastvingade konstruktioner, som kan bära upp till 30 gram.”
Möjlighet till Energilagring
Qi tillägger att det borde vara möjligt för flygfarkosten att bära ett litet litiumjonbatteri. Detta innebär att den skulle kunna lagra energi från sina solceller och flyga även när solen inte skiner, vilket potentiellt möjliggör 24-timmars drift.
Framtida Planer
I framtiden planerar forskarna att använda detta framdrivningssystem i olika typer av flygfarkoster, såsom fastvingade och rotorcraft, säger Qi. Forskarna publicerade sina detaljerade resultat online den 17 juli i tidskriften Nature.
