Elektrostatický pohon poháňa celodenný let solárneho dronu

Výskumníci z čínskej Univerzity Beihang a Centra pokročilých leteckých motorov predstavili CouloumbFly, miniatúrny rotorový stroj veľkosti dlane, ktorý váži len 4,21 gramu. Napriek tomu má priemer rotora 20 centimetrov, takže je približne 600-krát ľahší ako akýkoľvek iný porovnateľný malý dron na solárny pohon.

Pri testovaní na uviazanom zariadení v podmienkach prirodzeného slnečného svetla sa dron CouloumbFly dostal do vzduchu v priebehu jednej sekundy a zvládol hodinu letu bez zníženia výkonu, kým ho mechanická porucha vrátila späť na zem. Keby išlo o dron s krídlami schopnými plachtiť, nešlo by o veľký problém, ale toto je miniatúrny vrtuľník, ktorý je úplne zodpovedný za generovanie vlastného vztlaku a zvládnuť to len vďaka solárnej energii je mimoriadny výkon.

Kľúčom k jeho pozoruhodnej vytrvalosti je pohonný systém v podobe šialene ľahkého, odľahčeného elektromotora s hmotnosťou len 1,52 gramu, ktorý poháňa horný rotor s hmotnosťou 0,44 gramu. V skutočnosti sú klapky motora pokryté fóliou, ktoré visia na vonkajšej strane konštrukcie, kladné a záporné statorové dosky elektrostatického motora a rotor je rad 64 tenších zvislých plôšok za statorovými doskami.

„Keď sa list rotora dotkne kefky elektródovej dosky, medzi rotorom a ďalšou elektródovou doskou sa vytvorí kondenzátor, ktorý určuje najmä množstvo náboja, ktoré môže list rotora zakaždým preniesť,“ vysvetlili výskumníci. „Na nabitú lopatku rotora pôsobí v elektrickom poli elektrostatická sila a pohybuje sa smerom k ďalšej elektródovej platni. Keď rotorová lopatka prechádza cez ďalšiu elektródovú platňu, dochádza k výmene náboja a súčasne sa mení polarita rotorovej lopatky a smer elektrostatického poľa, čo zabezpečuje, že hnací moment celého rotora zostáva pri nepretržitom otáčaní elektrostatického motora stály.“

Tieto druhy elektrostatických motorov, ktoré na pohyb využívajú elektrostatické polia namiesto magnetických polí, sa častejšie používajú ako senzory v mikroelektromechanických systémoch (MEMS). V tejto aplikácii sú však ideálne, pretože sa zbavujú všetkej hmotnosti magnetických cievok a rotorov.

Okrem horného rotora a elektrostatického motora je tu len veľmi málo ďalších prvkov. V základni dronu sú dva tenké solárne panely, každý s veľkosťou asi 4 centimetre. Tie pri slnečnom žiarení generujú energiu približne 4,5 V, ktorá sa privádza cez 12-stupňový násobič napätia a transformátor, aby sa 4,5 V zvýšilo bližšie k 9 000 V, ktoré sa potom posielajú do statorových panelov. Zvyšok sú v podstate len tenké tyče rámu a hriadeľ, na ktorom je umiestnený horný rotor.

„V rámci experimentu sme vykonali skúšku odolnosti počas jednej hodiny a dron zostal počas celého testu v trvalom lete,“ uviedli výskumníci. „Následné výsledky experimentu ukazujú, že elektrostatický motor môže stále normálne fungovať a jeho výkon zostáva stabilný aj po jednej hodine nepretržitej prevádzky. Tento experiment dokazuje vynikajúcu stabilitu a odolnosť elektrostatických motorov a poskytuje základ pre budúci vývoj rotorových strojov s dlhou výdržou.“

Hoci je tento miniatúrny solárny dron stále v počiatočnom štádiu vývoja, v konečnom dôsledku by sa mohol používať na rôzne druhy trvalého sledovania, komunikácie a pátracích a záchranných operácií.

No dovtedy bude potrebovať ešte niekoľko vylepšení, v neposlednom rade aj nejaký systém riadenia letu. Výskumníci dúfajú, že sa im podarí zvýšiť úžitkové zaťaženie tohto malého dronu, aby ho bolo možné vybaviť malými senzormi a ovládačmi. V súčasnosti by sa doň zmestilo totiž len približne 1,59 gramu ďalšieho úžitkového zaťaženia. Navyše, drony by boli v podstate také malé, že by ich bolo ťažké vidieť alebo sledovať pomocou súčasnej technológie.

Výskumníci však pripúšťajú, že je potrebné prejsť určitú cestu, pričom technológia naráža na obmedzenia súvisiace s dostupnosťou slnečného svetla a vlhkosťou.

„V budúcnosti môže byť dron napájaný kombináciou dobíjateľných batérií a solárnych článkov, čo potenciálne umožní 24-hodinovú letovú prevádzku,“ poznamenali inžinieri. „Toto riešenie môže tiež zvýšiť adaptabilitu dronu na prostredie, čo mu umožní udržať let v podmienkach s nízkou intenzitou svetla alebo dokonca bez svetla.“

Výskum bol nedávno uverejnený v magazíne Nature.