Woensdag meldden onderzoekers dat ze een drone hebben ontwikkeld die ze CoulombFly noemen en die autonoom kan zweven zolang de zon schijnt. De drone, die de vorm heeft van geen enkel vliegtuig dat je ooit eerder hebt gezien, combineert zonnecellen, een spanningsomvormer en een elektrostatische motor om een helikopterachtige propeller aan te drijven – waarbij alle componenten zijn geoptimaliseerd voor een balans tussen efficiëntie en een laag gewicht.
Voordat mensen enthousiast worden over het kopen, is de lijst met kanttekeningen uitgebreid. Er is geen ingebouwde besturingshardware, en de drone kan sowieso niet gericht vliegen, wat betekent dat hij in de wind zou zweven als hij ooit los zou komen in de open lucht. Veel van de componenten lijken ook behoorlijk kwetsbaar. Maar het ontwerp kan worden geminiaturiseerd en onderzoekers hebben een versie gemaakt die slechts 9 milligram weegt.
Gebouwd rond de motor
Een van de sleutels tot deze ontwikkeling was de erkenning van de onderzoekers dat de meeste drones elektromagnetische motoren gebruiken, waaronder veel metalen spoelen die een aanzienlijk gewicht toevoegen aan elk systeem. Daarom besloot het team achter dit werk zich te concentreren op de ontwikkeling van een lichtgewicht elektrostatische motor. Ze vertrouwen op de aantrekking en afstoting van lading om de motor van stroom te voorzien, in tegenstelling tot magnetische interacties.
De motor die de onderzoekers ontwikkelden is behoorlijk groot vergeleken met de grootte van de drone. Het bestaat uit een binnenring van stationair geladen platen, de stator genoemd. Deze panelen bestaan uit een dunne plaat koolstofvezel bedekt met aluminiumfolie. Wanneer ze in bedrijf zijn, hebben aangrenzende platen tegengestelde ladingen. Eromheen bevindt zich een ring van 64 roterende platen.
De motor gaat draaien wanneer de platen in de buitenring geladen zijn. Omdat een van de nabijgelegen platen op de stator gegarandeerd de tegenovergestelde lading heeft, zal de trekkracht de roterende ring doen draaien. Wanneer de stator- en rotorplaten hun dichtste nadering bereiken, zullen de dunne draden contact maken, waardoor lading tussen hen kan worden overgedragen. Dit zorgt ervoor dat de stator- en rotorplaten nu dezelfde lading hebben, waardoor aantrekking in afstoting verandert. Dit houdt de rotor in beweging en zorgt ervoor dat de rotorplaat nu de tegenovergestelde lading heeft als de volgende statorplaat verderop in de rij.
Deze systemen vereisen doorgaans zeer weinig stroomsterkte om te werken. Maar ze vereisen een groot spanningsverschil tussen de platen (iets waar we op terugkomen).
Wanneer het systeem wordt bevestigd aan een achtbladige propeller van 10 centimeter, kan het een maximale lift van 5,8 gram produceren. Dit gaf de onderzoekers duidelijke gewichtsdoelen bij het ontwerpen van de overige componenten.
Klaar om te zweven
De zonnecellen zijn gemaakt van dunne film galliumarsenide, dat veel duurder is dan andere fotovoltaïsche materialen, maar een hoger rendement biedt (30 procent conversie vergeleken met cijfers die doorgaans halverwege de jaren twintig liggen). Dit levert meestal het tegenovergestelde op van wat het systeem nodig heeft: een redelijke stroom bij een relatief lage spanning. Daarom had het systeem ook een hoogspanningsomvormer nodig.
Hier hebben de onderzoekers efficiëntie opgeofferd voor een laag gewicht, door een aantal spanningsomvormers in serie te plaatsen om een systeem te creëren dat slechts 1,13 gram weegt, maar spanningen verhoogt van 4,5 V tot 9,0 kV. Maar dat gebeurt met een energieomzettingsrendement van slechts 24 procent.
De resulterende CoulombFly wordt gedomineerd door een grote cilindrische motor met daarop een propeller. Daaronder bevindt zich een hangend platform met aan de ene kant zonnecellen, aan de andere kant een lange, dunne stroomomvormer.
Maak kennis met CoulombFly.
Om hun systeem te testen, openden de onderzoekers eenvoudigweg een raam op een zonnige dag in Beijing. Vanaf het middaguur steeg de drone op en bleef ruim een uur hangen, en alles wees erop dat hij dit zou blijven doen zolang het zonlicht voldoende stroom leverde.
Het totale systeem had iets meer dan een halve watt aan vermogen nodig om in de lucht te blijven. Bij een totale massa van vier gram wordt dit bereikt met een lift- en energie-efficiëntie van 7,6 gram per watt. Maar veel van dat vermogen gaat verloren tijdens spanningsconversie. Als je je alleen op de motor concentreert, heeft deze slechts 0,14 watt nodig, waardoor hij een powerlift-efficiëntie heeft van meer dan 30 gram per watt.
De onderzoekers geven een lange lijst met dingen die ze kunnen doen om het ontwerp te optimaliseren, waaronder het verhogen van het motorkoppel en de propellerlift, het monteren van zonnecellen op structurele componenten en het verhogen van de efficiëntie van de spanningsomvormer. Maar één ding dat ze niet hoeven te optimaliseren is de grootte van het voertuig, aangezien ze al een miniatuurversie hebben gemaakt die slechts 8 millimeter hoog is en slechts 9 gram weegt, maar in staat is om milliwatt aan vermogen te genereren door de propeller met een snelheid van meer dan 100 gram te laten draaien. 15.000 tpm.
Nogmaals, dit gebeurt allemaal zonder ingebouwde besturingscircuits of hardware die nodig is om de machine ergens naartoe te verplaatsen – ze vliegen feitelijk in kooien zodat ze niet wegwaaien in de wind. Maar er lijkt voldoende ruimte in het gewicht te zitten om wat extra hardware mogelijk te maken, vooral als ze enkele van de potentiële optimalisaties beheren die ze noemden.
Natuur, 2024. DOI: 10.1038/s41586-024-07609-4 (Over DOI).