"Flying Batteries" sollen lange Flugzeiten von Mikrodrohnen ermöglichen
Herkömmliche Batterien für Mikrodrohnen sind zu groß und schwer. Eine Festkörperbatterie, Zellumschalttechnik und energiespeichernde Aktuatoren sollen helfen.
Der von den UC-Forschern erdachte Umschaltchip umgeht das Energieproblem bei Mikrodrohnen. Er ist nur 2 mm² groß.
(Bild: Patrick Mercier)
Wissenschaftler der University of California San Diego (UC San Diego) haben eine Technik entwickelt, um Hochspannungsaktuatoren einer Mikrodrohne zusammen mit einer neuartigen Festkörperbatterie zu betreiben und dabei potenziell lange Flugzeiten zu erzielen, schreiben die Forscher. Die entwickelten piezoelektrischen Aktuatoren können zusätzlich Spannung speichern und wieder an die Batterien abgeben.
Die Technik der UC San Diego adressiert gleich mehrere Probleme von Mikrodrohnen. Die Drohnen sind klein und leicht, müssen aber trotzdem recht schwere Batterien tragen. Das verkürzt die Flugzeit erheblich. Verwendung finden meist Lithium-Ionen-Batterien, die zwar eine hohe Energiedichte haben, jedoch nicht die benötigte Spannung für die in Mikrodrohnen verwendeten piezoelektrischen Hochspannungsaktuatoren liefern können. Diese benötigen Spannungen von einigen Dutzend bis einigen Hundert Volt. Eine Lithiumzelle liefert allerdings nur etwa 4 Volt.
Das Wandeln der Spannung in eine höhere ist dagegen in kompakten Maßen nur schwer möglich. Die Schaltungen benötigen große Induktoren oder mehrere Kondensatoren und damit ein Volumen und eine Masse, die gleich hoch oder höher sind als die von Batterien. Ein solches System ist daher für Mikrodrohnen ungeeignet.
Zellumschaltung bei Festkörperbatterie
Das Forscherteam der UC San Diego setzt deshalb auf eine Kombination unterschiedlicher Techniken. So verwenden die Elektrotechniker eine neue Art Festkörperbatterie des französischen Elektroniklabors CEA-Leti. Die Batterie besteht im Wesentlichen aus einem Dünnschicht-Materialstapel aus etwa Lithium-Kobalt-Oxid und Lithium-Phosphor-Oxnitrid. Er wird mittels Halbleitertechnik hergestellt und kann in winzige Zellen zerlegt werden. Eine einzelne Zelle kann eine Ladung von 20 Mikroampere speichern. Dabei ist die Zelle nur 0,33 mm³ groß und wiegt 0,8 g. Hochgerechnet auf ein Liter entspricht das 60 Ah. Zum Vergleich: Lithium-Ionen-Akkus liefern zwar 100 Ah auf ein Volumen von einem Liter, sind dafür aber auch etwa 1000 Mal größer. Die Technik befindet sich derzeit noch in der Entwicklung.
Da die Batterietechnik das Zerlegen in viele winzige Zellen zulässt, haben die Forscher eine Schaltung entwickelt, die die Verbindungen vieler kleiner Zellen neu anordnet, also zwischen paralleler und serieller Schaltung umschalten kann. Der zugrundeliegende Schaltungs-Chip ist lediglich 2 mm² groß.
Die Batteriezellen sind am Anfang parallel geschaltet. Die Spannung reicht so nicht aus, um die piezoelektrischen Aktuatoren einer Mikrodrohne zu betreiben. Die Schaltung ordnet die Verbindungen zwischen den Zellen neu an. Sie werden nach und nach in Reihe geschaltet. Das geschieht innerhalb weniger Hundertstelsekunden. Ist die Spannung hoch genug und der Aktuator voll aufgeladen, bewegen sich die FlĂĽgel der Mikrodrohne nach unten. Nun beginnt der umgekehrte Prozess: Die Zellen werden wieder einzeln parallel geschaltet, bis die FlĂĽgel zurĂĽckschnappen. Durch die andauernde Wiederholung kommt es zum FlĂĽgelschlag, der eine Mikrodrohne zum Fliegen bringen kann.
Aktuatoren als Energiespeicher
Das Prinzip hat noch einen positiven Nebeneffekt: Der Aktuator wirkt dabei wie ein Kondensator und speichert Energie. Diese wird zum Teil wieder an die Batterie zurückgeführt, ähnlich der Rekuperation bei Elektroautos.
Die Forscher haben jedoch noch mit einem Problem zu kämpfen: dem Innenwiderstand der Batterien. "Die Herausforderung besteht darin, dass der Serienwiderstand umso höher ist, je mehr Batterien gestapelt werden, und daher die Frequenz, mit der das System betrieben werden kann, geringer ist", sagt Patrick Mercier, Professor für Elektro- und Computertechnik an der UC San Diego.
Mercier und seine Mitstreiter sind jedoch zuversichtlich, auch dieses Problem in den Griff zu bekommen und Mikrodrohnen mit ihrem System zum Fliegen zu bringen.
(olb)