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.