SG.hu
Ultrakönnyű drónt építettek, amely addig képes lebegni, amíg a Nap süt
Szerdán kutatók arról számoltak be, hogy kifejlesztettek egy általuk CoulombFlynak nevezett drónt, amely képes önműködően lebegni mindaddig, amíg a Nap süt.
A drón olyan alakú, mint egyetlen eddig látott légi jármű sem. Napelemeket, feszültségátalakítót és egy elektrosztatikus motort kombinál, és egy helikopterszerű légcsavar tartja a levegőben. Az összes alkatrészt a hatékonyság és a kis tömeg egyensúlyára optimalizálták. Mielőtt bárki is izgatott lenne, hogy mikor veheti meg a járművet, a hátrányok listája igen hosszú. Nincs fedélzeti vezérlő hardver és a drón nem képes irányított repülésre, vagyis a szélben sodródna, ha valaha is a szabadban hagynák. Alkatrészei nagyon törékenyek, a konstrukció azonban miniatürizálható. A kutatók által készített változat mindössze 9 milligramm súlyú.
A fejlesztés egyik kulcsa az volt, hogy a kutatók felismerték, hogy a legtöbb drón elektromágneses motorokat használ, és ezek rengeteg fémtekercset tartalmaznak, amely jelentős súlyt ad hozzá a rendszerhez. A munka mögött álló csapat ezért úgy döntött, hogy egy könnyű elektrosztatikus motor kifejlesztésére összpontosít. Ezek a mágneses kölcsönhatásokkal szemben a töltések vonzására és taszítására támaszkodnak a motor működtetéséhez. A kutatók által kifejlesztett motor a drón méretéhez képest meglehetősen nagy. A belső gyűrű alumíniumfóliával borított vékony szénszálas lemezekből áll. Működés közben a szomszédos lemezek ellentétes töltéssel rendelkeznek. Ezt egy 64 forgó lemezből álló gyűrű veszi körül.
A motor akkor kezd el működni, amikor a külső gyűrűben lévő lemezek feltöltődnek. Mivel az állórészen az egyik közeli lemez garantáltan ellentétes töltéssel rendelkezik, a húzás hatására a gyűrű elkezd forogni. Amikor az állórész és a forgórész lemezei a legközelebb érnek egymáshoz, a vékony huzalok érintkeznek, lehetővé téve a töltések átadását közöttük. Ez biztosítja, hogy az állórész és a forgórész lemezei most már azonos töltéssel rendelkeznek, a vonzást taszítássá alakítva. Ez tartja mozgásban a forgórészt, és garantálja, hogy a forgórész lemezének most már ellentétes töltése van a soron következő állórész lemezével.
Ezek a rendszerek jellemzően nagyon kis áramerősséget igényelnek a működéshez, de nagy feszültségkülönbséget igényelnek a lemezek között. Egy 10 centiméteres, nyolclapátos légcsavarhoz csatlakoztatva a rendszer maximum 5,8 grammos felhajtóerőt tudott produkálni. Ez egyértelműen meghatározta, hogy a kutatóknak mekkora mozgásterük van a fennmaradó alkatrészek tervezésénél.
A napelemek egy vékony gallium-arzenid filmből készültek, amely jóval drágább, mint más fotovoltaikus anyagok, de magasabb hatásfokot kínál (30 százalékos konverzió a jellemzően 20-as tartományhoz képest). Ez azonban az ellenkezőjét nyújtja annak, amire a rendszernek szüksége van: egyenáramot viszonylag alacsony feszültség mellett. A rendszerhez tehát egy nagyfeszültségű áramátalakítóra is szükség volt. Itt a kutatók a hatékonyságot feláldozták az alacsony súlyért, egy csomó feszültségátalakítót sorba rendezve olyan rendszert hoztak létre, amely mindössze 1,13 grammot nyom, de a feszültséget 4,5 V-ról egészen 9,0 kV-ig fokozza. Mindezt azonban mindössze 24 százalékos teljesítmény-átalakítási hatásfokkal teszi.
Az így kapott CoulombFly-t a nagy hengeres motor uralja, amelynek tetején a légcsavar található. Alatta egy platform lóg, amelynek egyik oldalán a napelemek találhatók, és amelyet a másik oldalon a hosszú, vékony áramátalakító ellensúlyoz. Rendszerük teszteléséhez a kutatók egy napsütéses reggelen egyszerűen kinyitottak egy ablakot. Délben a drón felszállt és több mint egy órán át lebegett, és minden jel arra mutat, hogy ezt addig folytatta volna, amíg a napfény elegendő energiát biztosít. A teljes rendszer alig több mint fél watt energiát igényelt a levegőben maradáshoz. A 4 gramm össztömeget figyelembe véve ez 7,6 gramm/watt teljesítmény-hatékonyságot jelent. Az energia nagy része azonban a feszültségátalakítás során elvész. Ha csak a motorra koncentrálunk, annak mindössze 0,14 wattra van szüksége, így a felhajtóerő-hatékonysága több mint 30 gramm/watt.
A kutatók hosszú listát tettek közzé arról, mit lehetne tenni a tervezés optimalizálása érdekében, beleértve a motor nyomatékának és a légcsavar felhajtóerejének növelését, a napelemek elhelyezésének módosítását a szerkezeti elemeken, valamint a feszültségátalakító hatékonyságának növelését. Egy dolgot azonban nem kell optimalizálniuk: a jármű méretét, mivel már megépítettek egy miniatürizált változatot, amely mindössze 8 milliméter magas és 9 milligramm súlyú, de képes egy milliwattnyi energiát termelni, amely több mint 15 000 fordulat/perc sebességgel forgatja a propellerét. Mindezt úgy, hogy továbbra sincs semmilyen fedélzeti vezérlőáramkör vagy a gép bárhová történő mozgatásához szükséges hardver - lényegében ketrecben repítik ezeket, hogy ne kóboroljanak el a szélben. De úgy tűnik, hogy a tömeg terén elég mozgástér van ahhoz, hogy némi kiegészítő hardver is lehetséges legyen, különösen, ha sikerül az általuk említett lehetséges optimalizációk közül néhányat megvalósítani.
A drón olyan alakú, mint egyetlen eddig látott légi jármű sem. Napelemeket, feszültségátalakítót és egy elektrosztatikus motort kombinál, és egy helikopterszerű légcsavar tartja a levegőben. Az összes alkatrészt a hatékonyság és a kis tömeg egyensúlyára optimalizálták. Mielőtt bárki is izgatott lenne, hogy mikor veheti meg a járművet, a hátrányok listája igen hosszú. Nincs fedélzeti vezérlő hardver és a drón nem képes irányított repülésre, vagyis a szélben sodródna, ha valaha is a szabadban hagynák. Alkatrészei nagyon törékenyek, a konstrukció azonban miniatürizálható. A kutatók által készített változat mindössze 9 milligramm súlyú.
A fejlesztés egyik kulcsa az volt, hogy a kutatók felismerték, hogy a legtöbb drón elektromágneses motorokat használ, és ezek rengeteg fémtekercset tartalmaznak, amely jelentős súlyt ad hozzá a rendszerhez. A munka mögött álló csapat ezért úgy döntött, hogy egy könnyű elektrosztatikus motor kifejlesztésére összpontosít. Ezek a mágneses kölcsönhatásokkal szemben a töltések vonzására és taszítására támaszkodnak a motor működtetéséhez. A kutatók által kifejlesztett motor a drón méretéhez képest meglehetősen nagy. A belső gyűrű alumíniumfóliával borított vékony szénszálas lemezekből áll. Működés közben a szomszédos lemezek ellentétes töltéssel rendelkeznek. Ezt egy 64 forgó lemezből álló gyűrű veszi körül.
A motor akkor kezd el működni, amikor a külső gyűrűben lévő lemezek feltöltődnek. Mivel az állórészen az egyik közeli lemez garantáltan ellentétes töltéssel rendelkezik, a húzás hatására a gyűrű elkezd forogni. Amikor az állórész és a forgórész lemezei a legközelebb érnek egymáshoz, a vékony huzalok érintkeznek, lehetővé téve a töltések átadását közöttük. Ez biztosítja, hogy az állórész és a forgórész lemezei most már azonos töltéssel rendelkeznek, a vonzást taszítássá alakítva. Ez tartja mozgásban a forgórészt, és garantálja, hogy a forgórész lemezének most már ellentétes töltése van a soron következő állórész lemezével.
Ezek a rendszerek jellemzően nagyon kis áramerősséget igényelnek a működéshez, de nagy feszültségkülönbséget igényelnek a lemezek között. Egy 10 centiméteres, nyolclapátos légcsavarhoz csatlakoztatva a rendszer maximum 5,8 grammos felhajtóerőt tudott produkálni. Ez egyértelműen meghatározta, hogy a kutatóknak mekkora mozgásterük van a fennmaradó alkatrészek tervezésénél.
A napelemek egy vékony gallium-arzenid filmből készültek, amely jóval drágább, mint más fotovoltaikus anyagok, de magasabb hatásfokot kínál (30 százalékos konverzió a jellemzően 20-as tartományhoz képest). Ez azonban az ellenkezőjét nyújtja annak, amire a rendszernek szüksége van: egyenáramot viszonylag alacsony feszültség mellett. A rendszerhez tehát egy nagyfeszültségű áramátalakítóra is szükség volt. Itt a kutatók a hatékonyságot feláldozták az alacsony súlyért, egy csomó feszültségátalakítót sorba rendezve olyan rendszert hoztak létre, amely mindössze 1,13 grammot nyom, de a feszültséget 4,5 V-ról egészen 9,0 kV-ig fokozza. Mindezt azonban mindössze 24 százalékos teljesítmény-átalakítási hatásfokkal teszi.
Az így kapott CoulombFly-t a nagy hengeres motor uralja, amelynek tetején a légcsavar található. Alatta egy platform lóg, amelynek egyik oldalán a napelemek találhatók, és amelyet a másik oldalon a hosszú, vékony áramátalakító ellensúlyoz. Rendszerük teszteléséhez a kutatók egy napsütéses reggelen egyszerűen kinyitottak egy ablakot. Délben a drón felszállt és több mint egy órán át lebegett, és minden jel arra mutat, hogy ezt addig folytatta volna, amíg a napfény elegendő energiát biztosít. A teljes rendszer alig több mint fél watt energiát igényelt a levegőben maradáshoz. A 4 gramm össztömeget figyelembe véve ez 7,6 gramm/watt teljesítmény-hatékonyságot jelent. Az energia nagy része azonban a feszültségátalakítás során elvész. Ha csak a motorra koncentrálunk, annak mindössze 0,14 wattra van szüksége, így a felhajtóerő-hatékonysága több mint 30 gramm/watt.
A kutatók hosszú listát tettek közzé arról, mit lehetne tenni a tervezés optimalizálása érdekében, beleértve a motor nyomatékának és a légcsavar felhajtóerejének növelését, a napelemek elhelyezésének módosítását a szerkezeti elemeken, valamint a feszültségátalakító hatékonyságának növelését. Egy dolgot azonban nem kell optimalizálniuk: a jármű méretét, mivel már megépítettek egy miniatürizált változatot, amely mindössze 8 milliméter magas és 9 milligramm súlyú, de képes egy milliwattnyi energiát termelni, amely több mint 15 000 fordulat/perc sebességgel forgatja a propellerét. Mindezt úgy, hogy továbbra sincs semmilyen fedélzeti vezérlőáramkör vagy a gép bárhová történő mozgatásához szükséges hardver - lényegében ketrecben repítik ezeket, hogy ne kóboroljanak el a szélben. De úgy tűnik, hogy a tömeg terén elég mozgástér van ahhoz, hogy némi kiegészítő hardver is lehetséges legyen, különösen, ha sikerül az általuk említett lehetséges optimalizációk közül néhányat megvalósítani.