CoulombFly: Miniaturdrohne wiegt nur 4 Gramm, kann mit Sonnenlicht ewig fliegen
Chinesische Forscher entwickelten einen winzigen, solarbetriebenen Mikro-Flugroboter mit elektrostatischem Antrieb, der bei Sonnenlicht prinzipiell ewig fliegt.
(Bild: Mingjing Qi et al.)
Chinesische Wissenschaftler vom Fachbereich Energie- und Versorgungstechnik der Beihang-Universität in Peking haben eine solarbetriebene Mikro-Drohne namens "CoulombFly" entwickelt, der in Sonnenlicht frei und dauerhaft fliegen können soll. Ermöglicht werde dies durch einen hocheffizienten elektrostatischen Antrieb und ultraleichte Solarzellen, wie das Team in der Fachzeitschrift Nature berichtet.
Flugroboter, auch Micro Aerial Vehicles (MAVs) genannt, könnten in Zukunft in der Umweltüberwachung oder bei Rettungseinsätzen zum Einsatz kommen. Bisher war ihre Flugzeit jedoch auf wenige Minuten begrenzt, da bei kleinen Abmessungen Faktoren wie Reibung die Effizienz herkömmlicher elektromagnetischer Motoren stark reduzieren.
Zwar gibt es bereits Ansätze für alternative Antriebe, diese benötigen jedoch Bodensysteme zur Energieversorgung und können nicht frei fliegen. Solarenergie wäre eine Lösung, aber bisher ist es noch keinem solarbetriebenen MAV gelungen, bei natürlichem Sonnenlicht autonom und dauerhaft zu fliegen.
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Elektrostatischer Antrieb für Effizienz
CoulombFly besteht aus einem Rotor und einem Stator mit acht Elektrodenpaaren, die abwechselnd positiv und negativ geladen sind. An den Elektroden sind Bürsten angebracht, die Ladung auf die Rotorblätter übertragen.
Wird eine hohe Gleichspannung an die Elektroden angelegt, erzeugen sie elektrostatische Felder, die den Rotor antreiben. Beim Drehen passieren die Rotorblätter abwechselnd positive und negative Elektroden, wodurch die Rotation aufrechterhalten wird. Dies treibt wiederum den Propeller an und hebt CoulombFly in die Luft.
Laut den Forschern erreicht dieser Antrieb mit 30,7 g W−1 ein deutlich besseres Verhältnis von Auftrieb zu Leistung als vergleichbar große MAVs. Anders als die meisten elektromagnetischen Motoren erhitze er zudem nicht, was die Lebensdauer der Komponenten erhöhen könnte.
Ultraleichte Solarzellen versorgen Antrieb mit Energie
Die Energieversorgung übernehmen zwei ultraleichte Hochleistungs-Solarzellen. Mit einer Gesamtmasse von nur 4,21 Gramm ist CoulombFly damit leichter als viele Papierflieger und wiege nur 1/600 des Gewichts des bisher leichtesten solargetriebenen Fluggeräts, so die Forscher.
In Tests gelang CoulombFly laut der Veröffentlichung ein dauerhafter freier Flug unter natürlichen Sonnenlichtbedingungen mit einer Bestrahlungsstärke von 920 Watt pro Quadratmeter. Allerdings verfüge CoulombFly bisher über keinen Mechanismus zur Steuerung der Flugrichtung und benötigt vertikale Schienen zur Führung. Auch plötzliche Helligkeitsänderungen können die Solarversorgung stören. Die Forscher sind jedoch zuversichtlich, diese Probleme lösen zu können.
Das ultimative Ziel sei es, "ein superwinziges fliegendes Fahrzeug zu bauen, das etwa so groß und schwer wie eine Mücke ist und eine Flügelspannweite von weniger als einem Zentimeter hat", zitiert IEEE Spectrum https://spectrum.ieee.org/smallest-drone Mingjing Qi, einer der beteiligten Forscher und Dozent für Energie und Versorgungstechnik an der Beihang-Universität in Peking.
(vza)