Das leichteste und kleinste der Welt! Dieses Mikroflugzeug wird nur durch natürliches Licht angetrieben

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Shi Chang (PhD in Physikalischer Chemie)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um die neuesten Entwicklungen in Spitzenwissenschaft und -technologie zu verstehen, hat das Spitzenwissenschafts- und -technologieprojekt von China Science Popularization eine Artikelserie mit dem Titel „Hilfe beim Verstehen führender wissenschaftlicher Zeitschriften“ veröffentlicht, in der herausragende Artikel aus maßgeblichen Zeitschriften ausgewählt und so schnell wie möglich in einfacher Sprache interpretiert werden. Erweitern wir unseren wissenschaftlichen Horizont und genießen wir den Spaß an der Wissenschaft durch das Fenster der Top-Zeitschriften.

Wenn wir an Flugmaschinen denken, kommen uns vielleicht riesige Flugzeuge oder Drohnen in den Sinn, die auf unseren Reisen wunderschöne Fotos für uns machen. Drohnen tauchen in unserem Leben immer häufiger auf. Ihr kompaktes Erscheinungsbild gepaart mit hochauflösenden Kameras haben sie für Fotografie-Enthusiasten allmählich zu einem „magischen Werkzeug“ zum Fotografieren gemacht. Aber wussten Sie, dass das derzeit leichteste Fluggerät nur wenige Gramm wiegt, also nur wenige Hundertstel des Gewichts einer Drohne, und mehrere zehn Minuten durchhalten kann?

Drohnen

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Mikroluftfahrzeuge, eine neue Generation von Fluggeräten für niedrige Flughöhen

Micro Aerial Vehicles (MAVs) sind extrem kleine (nicht größer als 50 cm) und leichte (nicht mehr als 100 Gramm) Fluggeräte, die üblicherweise zur Aufklärung, Überwachung, Kommunikation und anderen Aufgaben in komplexen Umgebungen eingesetzt werden. Sie verfügen nicht nur über die Flugfähigkeiten herkömmlicher Flugzeuge, sondern sind auch klein und flexibel und bieten ein großes Anwendungspotenzial in vielen Bereichen, beispielsweise im militärischen und zivilen Bereich.

Die Energieversorgung ist bei Mikroflugzeugen von entscheidender Bedeutung. Aufgrund von Größen- und Gewichtsbeschränkungen stellen Mikroflugzeuge extrem hohe Anforderungen an die Batterien. Derzeit bestehen die Energieversorgungssysteme von Mikroluftfahrzeugen hauptsächlich aus Lithiumbatterien, Wasserstoffbrennstoff, Solarenergie usw.

Solarmodule

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Lithiumbatterien sind die am häufigsten verwendete Energiequelle in Mikroluftfahrzeugen. Es zeichnet sich durch eine hohe Energiedichte und ein geringes Gewicht aus und eignet sich daher sehr gut für Mikroflugzeuge, die eine lange Flugzeit und ein leichtes Design erfordern.

Wasserstoff als Kraftstoff kann durch Vermischen mit Hochdruckgas und Verbrennen Wärmeenergie erzeugen und so Mikroturbinentriebwerke antreiben, die wiederum Flugzeuge antreiben. Wasserstoff zeichnet sich durch eine geringe Dichte und eine hohe Energiefreisetzung bei der Verbrennung aus, wodurch Mikroflugzeuge mehr Schub und Leistung erhalten. Beispielsweise kann der vom Massachusetts Institute of Technology entwickelte Mikroturbinenmotor in Knopfgröße extrem hohe Geschwindigkeiten und geringe Masse erreichen.

Die Nutzung von Solarenergie zum Antrieb von Mikroflugzeugen könnte eine Lösung für das Problem der Ausdauer von Mikroflugzeugen sein. Da sich die Arbeitsumgebung des Flugzeugs normalerweise im Freien befindet, kann die Solarenergie für den Antrieb voll ausgenutzt werden, um die Anforderungen für lange Flugzeiten zu erfüllen.

Darüber hinaus wurden mit der Entwicklung der Solarstromerzeugungstechnologie im Bereich der Mikroluftfahrzeuge nach und nach Methoden der Hybridenergieversorgung eingesetzt. Durch die Stromerzeugung mit Solarenergie wird der überschüssige Strom in Lithiumbatterien gespeichert, um die Energiesicherheit für Kleinstflugzeuge zu gewährleisten.

Obwohl die Technologie zur Stromerzeugung durch Solarenergie nachhaltig ist, ist es aufgrund der begrenzten Größe und der geringen Energieumwandlungseffizienz schwierig, die Flugzeit von Mikroluftfahrzeugen zu erhöhen.

Neuer Durchbruch bei Mikroflugzeugen: Sie wiegen nur 4,21 Gramm und sind für einen nachhaltigen Flug geeignet

Am 17. Juli 2024 veröffentlichten chinesische Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Nature eine Forschungsarbeit über das Ultraleichtflugzeug (CoulombFly). Das Fluggerät wiegt lediglich 4,21 Gramm, ist damit das leichteste derzeit erhältliche solarbetriebene Fluggerät und kann dauerhaft unter der Sonne fliegen.

Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht

(Bildquelle: Nature Magazin)

Das Ultraleichtflugzeug besteht hauptsächlich aus einem elektrostatischen Antriebssystem und einem ultraleichten Kilovolt-Stromversorgungssystem, das auch der Schlüssel zu seinem anhaltenden Flug ist.

Leistungsstarkes Antriebssystem: Das Antriebssystem mit elektrostatischem Antrieb besteht aus einem elektrostatischen Motor und einem Propeller. Ein elektrostatischer Motor ist ein Gerät, das statische Elektrizität (nicht fließende elektrische Ladung, erzeugt durch Reibung, Kontakt oder Induktion) als Energiequelle nutzt, um elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Das Funktionsprinzip besteht darin, dass beim Anlegen eines Hochspannungsgleichstroms an die Elektrodenplatte des elektrostatischen Motors im Inneren des Motors ein Hochspannungsfeld erzeugt wird. Unter der Einwirkung des elektrischen Felds drehen sich die Rotorblätter des Motors kontinuierlich, wodurch der Propeller angetrieben wird und das Flugzeug in die Luft gehoben wird.

Ultraleichtflugzeuge; B. Flugzeuge in einem Flugtestsystem; C. Start und Dauerflug eines dem Sonnenlicht ausgesetzten Flugzeugs

(Bildquelle: Referenz 1)

Ultraleichtes Stromversorgungssystem: Das ultraleichte Kilovolt-Stromversorgungssystem besteht aus einem Hochspannungswandler und Solarzellen. Solarzellen können bei natürlichem Sonnenlicht Niederspannungs-Gleichstrom erzeugen, dieser kann den Motor jedoch nicht direkt antreiben. Daher haben die Forscher ein Hochspannungs-Stromrichtergerät entwickelt, das 4,5 Volt Niederspannungsgleichstrom in 4000–9000 Volt Hochspannungsstrom umwandeln kann, um den Betriebsanforderungen des elektrostatischen Motors gerecht zu werden.

Darüber hinaus wiegt das ultraleichte Kilovolt-Stromversorgungssystem nur 1,13 Gramm und verfügt über ein Spannungs-Masse-Verhältnis von 7,09 Kilovolt pro Gramm, das deutlich höher ist als das des leichtesten derzeit erhältlichen Kilovolt-Hochspannungsgenerators.

A. Hochspannungswandler und Solarzelle; B. Schaltungsentwurf eines Hochspannungs-Leistungswandlers; C. Zusammenhang zwischen Ausgangsspannung und Frequenz eines Hochspannungs-Stromrichters; D. Kurve des Wirkungsgrads der Leistungsumwandlung

(Bildquelle: Referenz 1)

Versuchsergebnisse zeigen, dass das nur 4,21 Gramm schwere Mikroflugzeug einen Energieverbrauch von nur 0,568 Watt hat. Das Flugzeug wurde eine Stunde lang unter natürlichen Lichtbedingungen getestet, wobei es praktisch keine Leistungseinbußen gab und ununterbrochen fliegen konnte.

Darüber hinaus verfügt das Mikroflugzeug über einen Auftrieb von 5,8 Gramm bei einer Spannung von 8,5 kV. Abzüglich des Eigengewichts kann es zudem eine Zusatzlast von 1,59 Gramm tragen. Es kann Lichtaktoren, Sensoren und Steuerelektronik tragen und in Zukunft einen autonomen Betrieb erreichen.

Welche Anwendungsgebiete gibt es für Mikroluftfahrzeuge?

Ziviler Bereich: Mikroluftfahrzeuge können zur Wetterüberwachung, Umweltüberwachung, Meeresüberwachung und Überwachung von Naturkatastrophen usw. eingesetzt werden und liefern wichtige Daten für den Umweltschutz und die Katastrophenwarnung. In komplexen Umgebungen wie Bergregionen und Erdbebengebieten können Mikroflugzeuge nach vermissten oder verletzten Personen suchen und bei Such- und Rettungsaktionen Anleitung geben.

Mikro-Luftfahrzeuge verfügen über eine hohe Manövrierfähigkeit und Flexibilität und werden voraussichtlich in Zukunft zur Geländekartierung und Luftbildfotografie eingesetzt.

Drohnen versprühen Pestizide

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Abschluss

Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Technologie und der kontinuierlichen Erweiterung der Anwendungsszenarien werden sich die Entwicklungsaussichten für Mikroluftfahrzeuge erweitern. Wir haben Grund zu der Annahme, dass Mikroflugzeuge in Zukunft in jedem Winkel unseres Lebens auf intelligentere, flexiblere und effizientere Weise auftauchen und uns ein sichereres, bequemeres und besseres Lebensumfeld bieten werden.

Quellen:

1.Guicherd, M., Ben Khaled, M., Guéroult, M. et al. Ein künstlich hergestelltes Enzym, das in PLA eingebettet ist, um selbstabbaubaren Kunststoff herzustellen[J]. Natur, 2024.

2. Jafferis, NT, Helbling, EF, Karpelson, M. et al. Ungebundener Flug eines insektengroßen Mikro-Luftfahrzeugs mit schlagenden Flügeln[J]. Natur, 2019.

3. Li Zhanke, Song Bifeng, Song Hailong. Forschungsstand und Schlüsseltechnologien von Mikroluftfahrzeugen[J]. Flugmechanik, 2003.

4. Yue Jilong, Zhang Qingjie, Zhu Huayong. Forschungsfortschritt und Schlüsseltechnologieanalyse von Mikro-Quadrocopter-UAVs[J]. Elektrooptik und Steuerung, 2010.