Летающий на солнечном свете сверхлегкий дрон продержался в воздухе больше часа

Китайские инженеры создали сверхлегкий миниатюрный дрон CoulombFly, который летает только за счет энергии солнечного света. Масса дрона с двумя солнечными панелями всего лишь 4,21 грамма. Он имеет один пропеллер диаметром 20 сантиметров, который вращается электростатическим мотором, работающим за счет высокого напряжения. В ходе испытаний CoulombFly успешно взлетел и продержался в воздухе в течение одного часа, используя только энергию солнца. Об этом сообщается в статье, опубликованной в журнале Nature.

Одна из главных проблем миниатюрных дронов заключается в ограниченном времени полета. Например, миниатюрный квадрокоптер SKEYE Nano способен провести в воздухе не более семи-восьми минут. Связано это с тем, что применяемые в них традиционные электродвигатели теряют эффективность при уменьшении размеров, что приводит к падению соотношения подъемной силы к мощности. А использовать в этом случае громоздкие аккумуляторы большей емкости нельзя из-за ограничений по грузоподъемности. Остается вариант с внешним источником питания, и здесь солнечная энергия могла бы стать идеальным решением.

Дроны, использующие солнечные панели только для восполнения заряда своих батарей между полетами, существуют уже давно. Например, один из наиболее известных — марсианский дрон Индженьюити — смог пролететь суммарно 17 километров за три года на Марсе. Однако все они имеют довольно большие размеры. Создать миниатюрный дрон, способный не только подзаряжаться, но и продолжительное время летать только за счет энергии света, до последнего времени не удавалось никому.

Эту проблему попытались решить инженеры под руководством Ци Мин Цзиня (Mingjing Qi) из Бэйханского университета. Они создали CoulombFly — миниатюрный дрон, способный летать длительное время, используя только энергию от солнечных батарей. При его создании разработчики отказались от использования традиционных электромагнитных двигателей в пользу электростатического мотора. Состоит он из ротора и статора. Ротор имеет 64 прямоугольные лопасти, изготовленные из тонких (20 микрометров) листов углеродного волокна, покрытых сверху алюминиевой фольгой. Лопасти соединены между собой сверху и снизу парой изолирующих колец из стекловолокна толщиной 0,3 миллиметра. Статор представляет собой восемь пар электродов, расположенных по кругу и попеременно подключенных к положительному и отрицательному полюсу источника питания.

Электроды также изготовлены из углеродного волокна, покрытого алюминиевой фольгой. На краю каждого из них установлена электрическая щетка из алюминиевой фольги. Щетки обеспечивают передачу заряда лопастям ротора при их прохождении мимо электрода. Принцип работы двигателя основан на явлении электростатического притяжения и отталкивания между заряженными лопастями ротора и электродами статора. При подаче высокого напряжения на электроды создается электрическое поле, которое заставляет лопасти ротора последовательно притягиваться к положительно и отрицательно заряженным электродам, обеспечивая непрерывное вращение мотора.

Электростатический двигатель вращает единственный восьмилопастной пропеллер радиусом 10 сантиметров, который и обеспечивает подъемную силу. Для питания двигателя инженеры создали сверхлегкую систему преобразования напряжения, которая повышает напряжение, поступающее от двух солнечных панелей с 4,5 вольт до 9 киловольт. Полная масса электростатического привода составляет 1,96 грамма, а в сборе весь вертолет вместе с солнечными панелями и электроникой весит 4,21 грамма.

Благодаря высокой эффективности созданного двигателя и низкому энергопотреблению всей системы, CoulombFly может совершать длительные полёты, используя только энергию солнечного света. Испытания инженеры проводили в солнечный день при интенсивности солнечного света 920 ватт на квадратный метр и относительной влажности 34 процента. После снятия экрана, затеняющего солнечные батареи, CoulombFly успешно взлетал и устойчиво держался в воздухе. Наиболее продолжительный полет продолжался более часа. В воздухе CoulombFly потребляет всего 0,568 ватта, а время полета фактически ограничивается только наличием необходимых условий освещенности.

За время испытаний инженеры не заметили признаков деградации характеристик дрона. Максимальная подъемная сила 5,8 грамма зафиксирована при напряжении 8,5 киловольта. Это позволяет CoulombFly поднимать дополнительные 1,59 грамма сверх собственного веса, что в будущем может быть использовано для установки сенсоров и системы управления, которые на данном этапе отсутствуют. Также разработчики попробовали миниатюризировать дрон и построили его уменьшенный вариант весом всего девять миллиграмм. Питание, в отличие от более крупной версии, он получает по проводам. Скорость вращения его пропеллера превышает 15 тысяч оборотов в минуту, при этом потребляемая мощность составляет всего 0,97 милливатта.

В будущем разработчики планируют интегрировать солнечные панели в конструкцию, а также добавить систему управления полетом. Текущая версия не имеет управляющих механизмов, поэтому движение во время испытаний ограничивалось удерживающей рамкой. Кроме этого, в будущем инженеры планируют добавить в конструкцию дрона батарею, чтобы снизить зависимость его характеристик от условий освещенности.

Получение энергии от солнца, позволяет роботам и дронам работать неограниченно долго. Недавно американские инженеры представили миниатюрный четырехколесный робот под названием MilliMobile с массой около грамма. Для работы электромоторов и электроники он также использует энергию света или радиоволн.