کوچکترین پهپاد خورشیدی جهان که تا ابد پرواز کند

به نقل از آی‌ای، این دستگاه که «کلمب‌فلای»(ColumbFly) نام دارد، تنها چهار گرم وزن داشته و از یک سلول خورشیدی برای تولید الکتریسیته استفاده می‌کند و یک میدان الکتریکی بین صفحات دارای بار مخالف که به صورت دایره‌ای مرتب شده‌اند، ایجاد می‌کند.

این بارهای متضاد مانند فرآیند دفع آهنربا عمل می‌کنند و نیروی کافی برای چرخاندن پره‌های روتور تولید می‌کنند. این باعث تولید نیروی گشتاور می‌شود و ربات را از روی زمین بلند می‌کند.

این پهپاد دارای راندمان بالابری ۳۰.۷ گرم بر وات و سیستم نیروی بسیار سبکی است که تنها ۰.۵۶۸ وات انرژی مصرف می‌کند. این به آن اجازه می‌دهد تا با استفاده از انرژی خورشیدی زیر نور طبیعی خورشید به طور مداوم پرواز کند.

گروه دانشگاه بی هانگ در پکن ادعا می‌کنند که هر جزء برای متعادل کردن کارایی و وزن سبک طراحی شده است و چنین طراحی می‌تواند وظایف نظارت از راه دور را برای مدت زمان طولانی ممکن کند.

طراحی نوآورانه پهپاد

مدت زمان محدود پرواز یک چالش بزرگ برای استفاده گسترده از وسایل نقلیه هوایی میکرو(MAVs) به ویژه وسایلی با وزن کمتر از ۱۰ گرم است. این وسایل نقلیه معمولا بیش از ۱۰ دقیقه زمان پرواز ندارند.

قدرت نور خورشید یک راه حل بالقوه برای بهبود استقامت این وسایل نقلیه هوایی کوچک و فوق سبک است. با این حال، به دلیل ظرفیت بار محدود آنها و راندمان پایین بالابر نسبت به نیرو در سیستم‌های پیشران سنتی، مطالعات قبلی به قابلیت پرواز بدون اتصال و پایدار برای وسایل نقلیه‌ای که کاملا از نور طبیعی خورشید نیرو می‌گیرند، دست نیافته‌ بودند.

به گفته محققان، این محدودیت‌ها مانع از کاربرد عملی وسایل نقلیه هوایی میکرو خورشیدی برای کارهای عملیاتی طولانی شده است.

برای مقابله با این چالش‌ها، این گروه یک پهپاد با یک موتور بزرگ ابداع کردند که دارای یک حلقه داخلی از صفحات باردار ثابت، ساخته شده از صفحات نازک فیبر کربنی با روکش فویل آلومینیومی است. صفحات باردار ثابت مجاور، بارهای مخالفی را حمل می‌کنند که توسط حلقه‌ای از ۶۴ صفحه چرخان احاطه شده است.

فعال‌سازی زمانی اتفاق می‌افتد که صفحات حلقه بیرونی شارژ می‌شوند و جذب بین صفحات استاتور مخالف را آغاز می‌کنند و چرخش را ایجاد می‌کنند. همانطور که صفحات ثابت و روتور به طور نزدیک در یک راستا قرار می‌گیرند، تماس از طریق سیم‌های نازک انتقال بار و یکسان‌سازی تسهیل می‌شود و جاذبه به دافعه تبدیل می‌شود. این مکانیسم حرکت روتور را حفظ می‌کند.

محققان از یک لایه نازک از آرسنید گالیم برای ساخت سلول‌های خورشیدی استفاده کردند که بازده ۳۰ درصدی را به دست آورد اما به دلیل ولتاژ پایین به مبدل ولتاژ بالا نیاز داشت. آنها کارایی را فدای وزن کم کردند و چندین مبدل را به صورت یک مجموعه مرتب کردند. این سیستم ۱.۱۳ گرم وزن دارد و ولتاژ را از ۴.۵ ولت به ۹ کیلو ولت با بازده ۲۴ درصد افزایش می‌دهد.

بهینه‌سازی پرواز خورشیدی

در طی یک پرواز آزمایشی، «کلمب فلای» در عرض یک ثانیه پس از قرار گرفتن سلول خورشیدی آن در معرض نور خورشید به آسمان رفت. محققان ادعا می‌کنند که در حال حاضر می‌تواند بدون اتصال به مدت یک ساعت در ارتفاع ۱۵ سانتی متری پرواز کنند و حداکثر دو گرم حسگر یا سیستم کنترل کوچک را حمل کنند.

در حالی که این ممکن است ساده به نظر برسد، تیم خوشبین است که بهبودهای طراحی، استقامت و ظرفیت بارگیری آن را در طول زمان افزایش دهد.

محققان پیش از این چندین پیشرفت از جمله افزایش گشتاور موتور، تقویت پروانه بالابر، ترکیب سلول‌های خورشیدی در عناصر ساختاری و افزایش کارایی مبدل ولتاژ را اعلام کرده‌اند.

قابل توجه است که اندازه آن نیز پیش‌تر اصلاح شده است و نسخه کاهش یافته تنها ۹ میلی گرم وزن و فقط ۸ میلی‌متر ارتفاع دارد. این پهپاد می‌تواند ملخ خود را با سرعت بیش از ۱۵ هزار دور در دقیقه با یک میلی وات انرژی بچرخاند.

جزئیات تحقیقات این تیم در مجله «نیچر»(Nature) منتشر شده است.