Onderzoekers hebben een 4 gram wegende luchtrobot gemaakt, die wordt aangedreven door piepkleine zonnepanelen die extreem hoge voltages produceren. Met die techniek zouden drones voor onbepaalde tijd kunnen blijven vliegen.
Een drone van slechts 4 gram is het kleinste op zonne-energie aangedreven luchtvoertuig ooit. Het apparaatje weet te vliegen dankzij de ongebruikelijke elektrostatische motor en minuscule zonnepanelen die extreem hoge voltages produceren. Hoewel het prototype ter grootte van een kolibrie maar een uur heeft gevlogen, zeggen de makers dat hun aanpak kan leiden tot drones ter grootte van insecten die voor onbeperkte tijd in de lucht kunnen blijven. Ze publiceerden hun resultaten in het wetenschappelijke tijdschrift Nature.
Kleine last
Kleine drones zijn een aantrekkelijke oplossing voor een reeks communicatie-, spionage- en zoek-en-reddingsproblemen. Jammer genoeg worden ze gehinderd door een slechte batterijduur, en hebben versies op zonne-energie moeite om genoeg energie te genereren om zichzelf in de lucht te houden.
‘Ik probeer robots te ontwikkelen die ook echt een nieuwe stap maken’
Hoe werkt vliegen? Dat lijkt een simpele vraag, maar voor luchtvaarttechnicus en bioloog David Lentink is het een levenslange zoektocht.
Bij de miniaturisatie van drones op zonne-energie krijg je ook kleinere zonnepanelen, waardoor er minder energie beschikbaar is, zegt ingenieur Mingjing Qi van de Beihang-universiteit in China. De efficiëntie van elektromotoren neemt ook af naarmate er meer energie verloren gaat aan warmte, zegt hij.
Stunten met spanning
Om deze negatieve cyclus te vermijden, ontwikkelden Qi en zijn collega’s een eenvoudig circuit dat de spanning die zonnepanelen produceren, opschaalt naar 6000 tot 9000 volt. In plaats van een elektromagnetische motor te gebruiken, zoals in elektrische auto’s, quadcopters en verschillende robots, gebruikten ze een elektrostatisch aandrijfsysteem om een rotor van 10 centimeter aan te drijven.
De motor werkt door het aantrekken en afstoten van onderdelen met elektrische ladingen die in een ring zijn gerangschikt. Dat proces genereert voldoende impulsmoment om een enkel rotorblad als een helikopter te laten draaien. De vederlichte onderdelen zijn gemaakt van flinterdunne stukjes koolstofvezel bedekt met uiterst delicaat aluminiumfolie. Hun zeer lage warmteverliezen zijn daarbij een bonus.
‘De stroom is extreem laag bij hetzelfde vermogen, waardoor de motor bijna geen warmte genereert. Dankzij de hoge efficiëntie en het lage stroomverbruik van de motor kunnen we het voertuig van stroom voorzien met een heel klein zonnepaneel’, zegt Qi. ‘We zijn er voor het eerst in geslaagd om een microvliegtuig te laten vliegen met behulp van natuurlijk zonlicht. Eerder konden alleen heel grote ultralichte vliegtuigen dit voor elkaar krijgen.’
Eeuwige vlucht
De machine van de onderzoekers, die ze CoulombFly hebben gedoopt, weegt slechts 4,21 gram en slaagde erin om een uur te vliegen voordat die mechanisch stopte met werken. Qi denkt dat deze zwakke punten kunnen worden weggewerkt en verwacht dat toekomstige versies een onbeperkte tijd kunnen vliegen. Hiervoor zou de CoulombFly overdag zonnepanelen en ‘s nachts radiosignalen zoals 4G en Wi-Fi kunnen gebruiken als energiebron.
CoulombFly kan een extra last van 1,59 gram dragen, wat het meenemen van kleine sensoren, computers of camera’s toelaat. Maar met verfijnde ontwerpen denken de onderzoekers dat de draagkracht kan worden verhoogd tot 4 gram, en versies met vaste vleugels zouden zelfs tot 30 gram kunnen dragen. Er wordt ook gewerkt aan een nog kleinere versie van CoulombFly met een rotor van minder dan een centimeter in diameter.
