Сверхлегкий исследовательский дрон способен работать автономно пока светит солнце. По форме он отличается от всех ранее созданных беспилотников.
Исследователи разработали дрон CoulombFly, способный автономно зависать при условии солнечного света. Конструкция беспилотника сочетает солнечные батареи, преобразователь напряжения и электростатический двигатель, который вращает винт наподобие вертолетного. Все компоненты настроены на баланс эффективности, веса и получения солнечного света.
Это исследовательский образец, который имеет много ограничений. Сейчас на борту нет аппаратного обеспечения для управления, поэтому дрон может только дрейфовать по ветру. Его компоненты очень тонкие и хрупкие. CoulombFly является одним из самых легких дронов — его вес всего 4,21 г. Исследование описано в журнале Nature.
Большинство дронов используют электромагнитные двигатели, которые включают много довольно тяжелых металлических катушек. Разработчики CoulombFly решили сосредоточиться на разработке легкого электростатического двигателя. Они полагаются на притяжение и отталкивание заряда для питания двигателя. Он состоит из внутреннего кольца неподвижных заряженных пластин, которое называется статором. Эти пластины сделаны из тонкого углеродного волокна, покрытого алюминиевой фольгой. Во время работы соседние пластины имеют противоположные заряды. Вокруг статора расположено кольцо из 64 вращающихся пластин.
Двигатель начинает работать, когда пластины во внешнем кольце заряжены. Поскольку одна из ближайших пластин на статоре будет гарантированно иметь противоположный заряд, начнется вращение. Когда пластины статора и ротора достигают максимального сближения, тонкие провода устанавливают контакт, позволяя заряду передаваться между ними. Это гарантирует, что пластины статора и ротора получат одинаковый заряд, превращая притяжение в отталкивание. Для работы такой системы требуется очень малая сила тока, но также требуется большое напряжение между пластинами.
С винтом диаметром 10 см, который имеет 8 лопастей, система создает подъемную силу 5,8 г. Это определяет условия проектирования всех остальных компонентов.
Солнечные элементы были сделаны из тонкой пленки арсенида галлия. Он намного дороже, чем другие фотоэлектрические материалы, но обеспечивает самую высокую эффективность — 30% преобразования энергии, по сравнению с более 20% у других. Батареи обеспечивают относительно большой ток, но низкое напряжение — противоположная ситуация той, что требуется. Поэтому в ней должен быть трансформатор.
С ним исследователи пожертвовали эффективностью ради малого веса. Они создали серию преобразователей напряжения, которая весит всего 1,13 г, но повышает напряжение с 4,5 В до 9,0 кВ. Но эффективность преобразования электроэнергии составляет лишь 24%. В результате в конструкции CoulombFly доминирует цилиндрический двигатель, который увенчан пропеллером. Ниже подвешена платформа с солнечными элементами с одной стороны, уравновешенная преобразователем энергии с другой.
Чтобы проверить дрон, исследователи просто открыли окно в солнечный день. Дрон взлетел и зависал более часа, и все указывает на то, что он продолжал бы это делать до тех пор, пока солнечный свет обеспечивал достаточно энергии.
Система требовала 0,568 Вт мощности, чтобы оставаться в воздухе. Учитывая общую массу 4, 21 г, это означает эффективность 7,6 г/Вт. Но значительная часть этой мощности теряется при преобразовании напряжения. Двигателю требуется всего 0,14 Вт, что дает ему эффективность более 30 г/Вт. Некоторый запас позволяет добавить другие компоненты — например, систему управления.
Также создана миниатюрная версия конструкции, высотой всего 8 мм и весом 9 мг, способная генерировать 1 мВт мощности, которая вращает винт со скоростью более 15 000 об/мин.
Источник: Ars Technica