В Китае создали сверхлёгкий дрон, который будет летать, пока светит Солнце

Группа китайских учёных решила проблему «бесконечного» питания сверхлёгких беспилотников. Они отказались от традиционных электрических двигателей, слишком тяжёлых для сверхминиатюрных устройств. Предложенный электростатический двигатель показал впечатляющую эффективность и возможность работы до тех пор, пока на беспилотник падает солнечный свет. Питание поступает от солнечных батарей, а дальше в работу вступают кулоновские силы.

Дрон CoulombFly в клетке, чтобы далеко не улетел. Источник изображения: Nature

Исследователи создали прототип летающего устройства массой 4 г с пропеллером диаметром 10 см. Полученный опыт затем был воплощён в прототипе высотой 8 мм и массой 9 мг. Беспилотники сразу начинали подниматься в воздух, едва на них попадали лучи Солнца, поэтому они парили в клетках, чтобы не разлетались по комнате и не улетели в окно.

Учёные пока не ставили перед собой задачу осуществления управляемого полёта. Предстоит ещё много работы по оптимизации платформы, но перспективы, тем не менее, были обозначены. Легчайшие воздушные дроны способны часами оставаться в воздухе на одном лишь солнечном питании. И смогут взмывать в воздух с началом каждого нового дня.

Питание на двигатель беспилотника поступает от тонкоплёночных солнечных батарей на основе арсенида галлия. Их эффективность в сочетании с малым весом сегодня одна из высоких в мире. Для работы электростатического двигателя на эффектах кулоновского притяжения зарядов и отталкивания входное напряжение пришлось повышать с 4,5 В до 9 кВ. Инвертор стал одной из самых тяжёлых частей беспилотника. Он размещён на платформе в самом низу беспилотника и работает также как противовес. КПД инвертора составил всего 24 % при его весе 1,13 г. Это очень расточительно для аппарата массой 4 г, но деваться было некуда.

Чтобы оставаться в воздухе всей системе требуется чуть более половины ватта энергии. При общей массе в 4 г получается эффективность 7,6 г/Вт. Но большая часть этой мощности теряется при преобразовании напряжения. Если сосредоточиться только на двигателе, ему требуется всего 0,14 Вт, что означает, что его энергоэффективность превышает 30 г/Вт.

Весь беспилотник — это фактически электростатический двигатель с обвесом из солнечной батареи и высоковольтного преобразователя. Статор двигателя представлен 64 углеродными пластинами, покрытыми фольгой. Заряды пластин чередуются, чтобы создавать отталкивающие и притягивающие усилия. Ротор также представляет собой кольцо из заряженных пластин, размещённых максимально близко к кольцу из пластин статора. К ротору приделан 10-см пропеллер. В процессе вращения ротора заряд по контактам перетекает от пластин статора к противоположным пластинам ротора и создаёт отталкивающие усилия после его уравновешивания. Скорость вращения лопастей 9-мг беспилотника достигает впечатляющих 15 тыс. об/мин.

У команды учёных остаётся огромный задел для оптимизации всех составляющих «бесконечно» летающей платформы. Они доказали работу концепции, а дальше дело техники.