Надлегкий дослідницький дрон здатний працювати автономно доки світить сонце. За формою він відрізняється від усіх раніше створених безпілотників.
Дослідники розробили дрон CoulombFly, здатний автономно зависати за умови сонячного світла. Конструкція безпілотника поєднує сонячні батареї, перетворювач напруги та електростатичний двигун, який обертає гвинт на зразок вертолітного. Усі компоненти налаштовані на баланс ефективності, ваги та отримання сонячного світла.
Це дослідницький зразок, який має багато обмежень. Наразі борту немає апаратного забезпечення для керування, тож дрон може лише дрейфувати за вітром. Його компоненти дуже тонкі та крихкі. CoulombFly є одним з найлегших дронів — його вага лише 4,21 г. Дослідження описане в журналі Nature.
Більшість дронів використовують електромагнітні двигуни, які включають багато досить важких металевих котушок. Розробники CoulombFly вирішили зосередитися на розробці легкого електростатичного двигуна. Вони покладаються на притягнення та відштовхування заряду для живлення двигуна. Він складається з внутрішнього кільця нерухомих заряджених пластин, яке називається статором. Ці пластини створені з тонкого вуглецевого волокна, покритого алюмінієвою фольгою. Під час роботи сусідні пластини мають протилежні заряди. Навколо статора розташоване кільце з 64 пластин, що обертаються.
Двигун починає працювати, коли пластини в зовнішньому кільці заряджені. Оскільки одна з найближчих пластин на статорі буде гарантовано мати протилежний заряд, почнеться обертання. Коли пластини статора і ротора досягають максимального зближення, тонкі дроти встановлюють контакт, дозволяючи заряду передаватись між ними. Це гарантує, що пластини статора та ротора отримають однаковий заряд, перетворюючи притягнення на відштовхування. Для роботи такої системи потрібна дуже мала сила струму, але також потрібна велика напруга між пластинами.
Онлайн-курс Front-end developer від Mate academy. Закінчуйте курс з гнучким графіком Front-end developer та починайте заробляти вже через 7 місяців! Допоможемо з працевлаштуванням! Отримати знижку на курс
З гвинтом діаметром 10 см, який має 8 лопатей, система створює піднімну силу 5,8 г. Це визначає умови проєктування всіх інших компонентів.
Сонячні елементи були зроблені з тонкої плівки арсеніду галію. Він набагато дорожчий, ніж інші фотоелектричні матеріали, але забезпечує найвищу ефективність — 30% перетворення енергії, порівняно з понад 20% в інших. Батареї забезпечують відносно великий струм, але низьку напругу — протилежна ситуація тій, що потрібно. Тож ній повинний бути трансформатор.
З ним дослідники пожертвували ефективністю заради малої ваги. Вони створили серію перетворювачів напруги, яка важить лише 1,13 г, але підвищує напругу з 4,5 В до 9,0 кВ. Але ефективність перетворення електроенергії становить лише 24%. В результаті у конструкції CoulombFly домінує циліндричний двигун, який увінчаний пропелером. Нижче підвішена платформа з сонячними елементами з одного боку, урівноважена перетворювачем енергії з іншого.
Щоб перевірити дрон, дослідники просто відкрили вікно у сонячний день. Дрон злетів і зависав понад годину, і все вказує на те, що він продовжував би це робити до тих пір, поки сонячне світло забезпечувало достатньо енергії.
Система вимагала 0,568 Вт потужності, щоб залишатися в повітрі. Враховуючи загальну масу 4, 21 г, це означає ефективність 7,6 г/Вт. Але значна частина цієї потужності втрачається під час перетворення напруги. Двигуну потрібно лише 0,14 Вт, що дає йому ефективність понад 30 г/Вт. Деякий запас дозволяє додати інші компоненти — наприклад, систему керування.
Онлайн-курс Front-end developer від Mate academy. Закінчуйте курс з гнучким графіком Front-end developer та починайте заробляти вже через 7 місяців! Допоможемо з працевлаштуванням! Отримати знижку на курс
Також створено мініатюрну версію конструкції, висотою лише 8 мм та вагою 9 мг, здатна генерувати 1 мВт потужності, яка гвинт зі швидкістю понад 15 000 об/хв.
