Čínští vědci zkonstruovali miniaturní dron CoulombFly, který se dokáže vznášet ve vzduchu, dokud svítí slunce. Stroj má neobvyklý tvar, váží pouze 4 gramy (tj. zhruba jako naše dvoukoruna) a kromě vrtule, měniče napětí a elektrického motoru je osazen maličkými solárními články, které mu dodávají elektrickou energii. Podrobnosti přináší magazín New Scientist.
Je celkem logické, že se do tak titěrného dronu nevešla veškerá technika, kterou můžeme znát z komerčně dostupných strojů. Chybí například řídicí hardware, což v praxi znamená, že není schopen řízeného letu. Pokud by byl vypuštěn venku, byl by unášen větrem.
Základem je elektrostatický motor
Většina tradičních dronů používá elektromagnetické motory, které obsahují mnoho kovových cívek, což výrazně zvyšuje jejich hmotnost. Klíčovým prvkem, který umožnil vývoj tak maličkého a lehkého dronu, je v tomto případě elektrostatický motor využívající přitažlivosti a odpudivosti nábojů.
Motor vyvinutý vědci je vzhledem k velikosti dronu relativně velký. Skládá se z vnitřního kruhu stacionárních nabitých desek, které fungují jako stator. Tyto desky jsou vyrobeny z uhlíku pokrytého hliníkovou fólií. Během provozu mají sousední desky opačné náboje, což vytváří potřebné elektrostatické pole
Kolem statoru se nachází kruh 64 rotujících desek, které interagují s nabitými statorovými deskami a generují pohyb potřebný pro pohon dronu. Motor se začne pohybovat, když se desky ve vnějším kroužku nabijí. Jedna z blízkých desek na statoru má vždy opačný náboj, což způsobí, že se rotující kroužek začne otáčet směrem k této desce díky elektrostatické přitažlivosti.
Když se desky statoru a rotoru přiblíží na nejbližší možnou vzdálenost, tenké vodiče mezi nimi umožní přenos nábojů. To znamená, že desky na obou stranách budou mít v tu chvíli stejný náboj, což změní přitažlivost na odpudivost. Tento mechanismus zajišťuje, že se rotor pohybuje dál.
Elektrostatické motory mají velký potenciál zejména v oblasti miniaturizace dronů a dalších zařízení, kde je klíčovým faktorem nízká hmotnost. Pokroky v této technologii mohou vést k novým aplikacím v různých průmyslových odvětvích, od průzkumu až po monitorování životního prostředí. Tyto systémy obvykle vyžadují k provozu jen velmi malý příkon, ale potřebují velký rozdíl napětí mezi deskami.
Miniaturní, ale účinné solární články
Dalším důležitým prvkem miniaturního dronu jsou solární články vyrobené z tenké vrstvy arsenidu galia, který je mnohem dražší než jiné fotovoltaické materiály, ale nabízí vyšší účinnost až 30 %. Ty poskytovaly přiměřený proud a relativně nízké napětí, nicméně pro provoz elektrostatického motoru byl potřeba pravý opak.
Vědci proto přidali vysokonapěťový měnič. Obětovali přitom účinnost ve prospěch nízké hmotnosti a uspořádali několik měničů napětí do série, čímž vytvořili systém, který váží pouhých 1,13 gramu, ale zvyšuje napětí ze 4,5 V až na 9,0 kV. Přitom má účinnost přeměny energie pouhých 24 %.
Výslednému modelu dronu CoulombFly dominuje velký válcový motor, který je zakončen vrtulí. Pod ní je zavěšena plošina se solárními články na jedné straně, kterou vyvažuje dlouhý tenký měnič energie na straně druhé.
Může létat, dokud svítí slunce
Při testování dronu vědci jednoduše během slunečného dne otevřeli okno. Po poledni dron vzlétl a vznášel se více než hodinu. Vše nasvědčuje tomu, že by v letu pokračoval tak dlouho, dokud by sluneční svit poskytoval dostatek energie.
Celý systém potřeboval k udržení se ve vzduchu jen něco málo přes půl wattu. Vzhledem k celkové hmotnosti 4 gramy to znamená, že účinnost poměru vztlaku a výkonu je 7,6 gramu na watt. Velká část tohoto výkonu se však ztratí při přeměně napětí.
Vědci uvádějí dlouhý seznam kroků, které mohou ještě udělat pro optimalizaci celé konstrukce, včetně zvýšení točivého momentu motoru a vztlaku vrtule, umístění solárních článků na konstrukční prvky a zlepšení účinnosti měniče napětí.
Jednu věc však optimalizovat nemusí – velikost stroje, protože již postavili jeho miniaturizovanou verzi, která je vysoká pouhých 8 milimetrů a váží jen 9 miligramů, ale dokáže generovat miliwatt energie, která otáčí vrtulí rychlostí přes 15 000 otáček za minutu.
Výsledky vědeckého bádání byly publikovány 17. července v jednom z nejprestižnějších vědeckých časopisů Nature. Toto periodikum publikuje výsledky výzkumů ze široké škály vědeckých oborů, včetně biologie, chemie, fyziky, lékařství a mnoha dalších. Velmi přísné recenzní řízení zajišťuje, že jsou zveřejňovány pouze věrohodné a z vědeckého hlediska hodnotné práce.