کوچکترین پهپاد خورشیدی جهان که می‌تواند با بازده بالای لیفت برای همیشه پرواز کند
محققان یک پهپاد فوق‌سبک خورشیدی ساخته‌اند که قادر به پرواز نامحدود در طول روز است.
این دستگاه به نام کلمبی‌فلای، تنها ۴ گرم وزن دارد و از سلول خورشیدی برای تولید برق استفاده می‌کند، که میدان الکتریکی بین صفحات با بار مخالف را در یک دایره ایجاد می‌کند.
این بارهای مخالف مانند آهنرباهای دافعه عمل می‌کنند، نیروی کافی برای چرخاندن پره‌های روتور را تولید می‌کنند و در نتیجه ربات از زمین بلند می‌شود.
این پهپاد دارای بازده لیفت بالای ۳۰.۷ گرم بر وات و سیستم توان بسیار سبک است که تنها ۰.۵۶۸ وات مصرف می‌کند. این امر به آن اجازه می‌دهد تا بطور پیوسته تحت نور طبیعی خورشید پرواز کند (۹۲۰ وات بر مترمربع).
تیم دانشگاه بی‌هانگ پکن ادعا می‌کند که هر جزء آن برای تعادل بین بازده و سبکی طراحی شده و چنین طراحی می‌تواند وظایف نظارت از راه دور را برای مدت طولانی ممکن سازد.
طراحی نوآورانه پهپاد
مدت زمان محدود پرواز یک چالش بزرگ برای استفاده گسترده از وسایل هوایی میکرو (MAVs)، به ویژه آن‌هایی که وزن کمتر از ۱۰ گرم دارند، است. این وسایل معمولاً مدت پروازی بیش از ۱۰ دقیقه ندارند.
نور خورشید یک راه‌حل بالقوه برای افزایش دوام این MAVهای فوق‌سبک است. با این حال، به دلیل ظرفیت بار محدود و بازده کم به توان سیستم‌های پیشرانه سنتی، مطالعات قبلی موفق به دستیابی به پرواز متعادل و مداوم برای MAVهای کاملاً تغذیه شده توسط نور طبیعی خورشید نشده‌اند.
طبق گفته محققان، این محدودیت‌ها کاربرد عملی MAVهای خورشیدی را برای وظایف عملیاتی گسترده محدود کرده‌اند.
برای مقابله با این چالش‌ها، تیم یک پهپاد با موتور بزرگ با حلقه داخلی صفحات باردار ثابت (استاتور) از صفحه‌های نازک فیبر کربن با روکش فویل آلومینیوم طراحی کرد. صفحات استاتور مجاور حاوی بارهای مخالف هستند، که توسط حلقه‌ای از ۶۴ صفحه چرخشی احاطه شده‌اند، همانطور که Ars Technica گزارش می‌دهد.
فعال سازی زمانی رخ می‌دهد که صفحات حلقه بیرونی باردار می‌شوند، جذابیت بین صفحات استاتور مخالف را آغاز می‌کنند و چرخش را به حرکت می‌اندازند. با هماهنگ شدن صفحات استاتور و روتور، تماس از طریق سیم‌های نازک انتقال و تعادل بار را تسهیل می‌کند، جذابیت تبدیل به دفع می‌شود. این مکانیزم حرکت روتور را حفظ می‌کند و اطمینان می‌دهد که صفحات چرخشی پیوسته بار مخالف به صفحات استاتور بعدی دارند.
محققان از فیلم نازک گالیوم آرسنید برای سلول‌های خورشیدی استفاده کردند و به بازده ۳۰ درصدی دست یافتند، اما نیاز به تبدیل کننده ولتاژ بالا به دلیل ولتاژ کم داشتند. آن‌ها برای کاهش وزن از بازدهی کاستند و چندین مبدل را در سری مرتب کردند. این سیستم ۱.۱۳ گرم وزن دارد و ولتاژ را از ۴.۵ ولت به ۹ کیلوولت با بازدهی ۲۴ درصد افزایندگی می‌کند.
بهینه‌سازی پرواز خورشیدی
در یک پرواز آزمایشی، کلمبی‌فلای در عرض ۱ ثانیه از قرار گرفتن در معرض نور خورشید بلند شد. محققان ادعا می‌کنند که در حال حاضر می‌تواند به مدت ۱ ساعت بدون اتصال پرواز کرده و تا ۲ گرم سنسورهای کوچک یا کنترل‌ها را حمل کند.
در حالی که این ممکن است ناچیز به نظر برسد، تیم امیدوار است که بهبودهای طراحی توان و ظرفیت بار آن را در طول زمان افزایش دهد.
با وزن ۴ گرم، دستگاه بازده لیفت به توان ۷.۶ گرم بر وات دارد و تنها کمی بیشتر از نیم وات برای ماندن در هوا نیاز دارد. با این حال، تبدیل ولتاژ باعث افت قابل توجهی در توان می‌شود. با بازدهی بیش از ۳۰ گرم بر وات، موتور به تنهایی به ۰.۱۴ وات نیاز دارد.
محققان چندین بهبود را پیشنهاد داده‌اند، از جمله افزایش گشتاور موتور، افزایش لیفت پروانه، افزودن سلول‌های خورشیدی به عناصر ساختاری و افزایش بازده مبدل ولتاژ، گزارش می‌دهد Ars Technica.
به طور شگفت‌انگیز، اندازه وسیله قبلاً بهینه‌سازی شده است، با نسخه کوچکتر که تنها ۹ میلی‌گرم وزن دارد و فقط ۸ میلی‌متر قد دارد. این وسیله می‌تواند پروانه خود را با سرعت بیش از ۱۵۰۰۰ دور در دقیقه با توان میلی‌واتی چرخش دهد.
جزئیات تحقیقات تیم در مجله Nature منتشر شده است.
