Σύνοψη
- Ερευνητές του Civil Aviation University of China ανέπτυξαν ένα καινοτόμο σύστημα που επιτρέπει τη φόρτιση μη επανδρωμένων αεροσκαφών (drones) εν πτήσει μέσω μιας στοχευμένης δέσμης πράσινου λέιζερ.
- Η νέα τεχνολογία βασίζεται σε μια υβριδική διάταξη περοβσκίτη και θερμοηλεκτρικών υλικών (PLC-TE), η οποία απορροφά το φως και εκμεταλλεύεται τη θερμότητα για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.
- Για την αποτελεσματική διαχείριση των ακραίων θερμοκρασιών (80-90°C), οι μηχανικοί ενσωμάτωσαν νανοκρυστάλλους Sb2Se3 στο πλαίσιο, δημιουργώντας ένα ισχυρό θερμικό φράγμα.
- Το σύστημα κατέγραψε εντυπωσιακή απόδοση μετατροπής ενέργειας 38,49%, εκμεταλλευόμενο παράλληλα τη ροή αέρα από τους έλικες για αεροδυναμική ψύξη.
- Η συγκεκριμένη τεχνολογία ανοίγει τον δρόμο για συνεχή εναέρια επιτήρηση δασικών εκτάσεων και αδιάκοπες πτήσεις μεταφοράς φορτίων, καταργώντας τους περιορισμούς αυτονομίας.
Ο περιορισμένος χρόνος αυτόνομης πτήσης αποτελεί το μεγαλύτερο εμπόδιο στην πλήρη εμπορική και επιχειρησιακή αξιοποίηση των μη επανδρωμένων αεροσκαφών. Παρά τις συνεχείς αναβαθμίσεις στις μπαταρίες πολυμερών λιθίου (LiPo) και τις δοκιμές με μπαταρίες στερεάς κατάστασης, ένα τυπικό τετρακόπτερο εμπορικής χρήσης δύσκολα υπερβαίνει τα σαράντα με πενήντα λεπτά επιχειρησιακής λειτουργίας όταν φέρει ωφέλιμο φορτίο, όπως προηγμένους αισθητήρες ή δέματα προς παράδοση.
Η απάντηση σε αυτόν τον κατασκευαστικό περιορισμό δεν προέρχεται από την ανακάλυψη μιας καλύτερης μπαταρίας, αλλά από την πλήρη παράκαμψη της. Ερευνητές από το Civil Aviation University of China (CAUC) παρουσίασαν πρόσφατα μια τεχνολογική λύση που επιτρέπει τη μεταφορά ενέργειας στα drones την ώρα που αυτά βρίσκονται στον αέρα. Σύμφωνα με τη μελέτη, η ομάδα απέδειξε μέσω ενός λειτουργικού πρωτοτύπου ότι η συνεχής πτήση είναι εφικτή μέσω της οπτικής ασύρματης μεταφοράς ενέργειας.
Πώς λειτουργεί η ασύρματη φόρτιση drones με δέσμη λέιζερ;
Η ασύρματη φόρτιση πραγματοποιείται μέσω ενός υβριδικού συλλέκτη περοβσκίτη και θερμοηλεκτρικών υλικών (PLC-TE) που ενσωματώνεται στο κάτω μέρος του drone, ικανού να λαμβάνει μια στοχευμένη δέσμη πράσινου λέιζερ από επίγεια πηγή. Ο περοβσκίτης μετατρέπει απευθείας τα φωτόνια σε ηλεκτρισμό, ενώ το θερμοηλεκτρικό στρώμα ανακτά τη θερμότητα, μετατρέποντας τη διαφορά θερμοκρασίας σε επιπλέον ρεύμα για την κίνηση των ελίκων.
- Τεχνολογία συλλέκτη: Υβριδική διάταξη Perovskite Laser Cell-Thermoelectric (PLC-TE).
- Απόδοση μετατροπής: 38,49% της εισερχόμενης ενέργειας από το πράσινο λέιζερ.
- Διαχείριση θερμότητας: Ενσωμάτωση νανοκρυστάλλων Sb2Se3 ως ασπίδα θερμικής μόνωσης.
- Αεροδυναμική ψύξη: Σχεδιασμός ειδικών αγωγών στα φτερά για αξιοποίηση της ροής αέρα από τον έλικα.
Η χρήση δέσμης λέιζερ για τη μεταφορά ενέργειας εξασφαλίζει τεράστια πλεονεκτήματα, καθώς τα φωτόνια μπορούν να ταξιδέψουν σε μεγάλες αποστάσεις με εξαιρετικά χαμηλή διασπορά, διατηρώντας την υψηλή πυκνότητα ισχύος τους. Η επιλογή του περοβσκίτη στο κύριο στρώμα του συλλέκτη δικαιολογείται απόλυτα τεχνικά. Τα ηλιακά κύτταρα περοβσκίτη έχουν επιδείξει εξαιρετικά χαρακτηριστικά απορρόφησης σε συγκεκριμένα μήκη κύματος φωτός. Αντίθετα με τα παραδοσιακά πάνελ πυριτίου, τα οποία έχουν σχεδιαστεί για να αποδίδουν ικανοποιητικά σε ολόκληρο το ευρύ φάσμα της ηλιακής ακτινοβολίας, η μοριακή δομή του περοβσκίτη ρυθμίζεται με απόλυτη ακρίβεια ώστε να μεγιστοποιεί την απόδοση στη συχνότητα του πράσινου λέιζερ.
Βέβαια, η στόχευση ενός εξαρτήματος με λέιζερ υψηλής ισχύος συνεπάγεται τη δημιουργία ακραίων θερμοκρασιών. Η ερευνητική ομάδα παρατήρησε κατά τις αρχικές δοκιμές πως οι θερμικές κάμερες κατέγραφαν επιφανειακές θερμοκρασίες της τάξεως των 80 έως 90 βαθμών Κελσίου. Μια τέτοια θερμική επιβάρυνση είναι καταστροφική, καθώς διαβρώνει ραγδαία τη φωτοβολταϊκή απόδοση της δομής του περοβσκίτη και απειλεί ευθέως τη στατικότητα του ελαφρού σκελετού ενός UAV.
Για την αντιμετώπιση αυτής της ισχυρής θερμικής καταπόνησης, οι μηχανικοί ενσωμάτωσαν ειδικούς νανοκρυστάλλους σεληνιούχου αντιμονίου (Sb2Se3) στην υβριδική διάταξη, οι οποίοι χαρακτηρίζονται από εξαιρετικά χαμηλή θερμική αγωγιμότητα. Λειτουργούν ουσιαστικά ως ένα μικροσκοπικό θερμικό φράγμα το οποίο επιβραδύνει δραματικά τη ροή της θερμότητας από την εκτεθειμένη πλευρά προς τα κάτω στρώματα του συστήματος. Αυτή η διατήρηση της μεγάλης διαφοράς θερμοκρασίας είναι κρίσιμη για τη λειτουργία του δεύτερου επιπέδου της διάταξης, δηλαδή του θερμοηλεκτρικού στρώματος. Εφαρμόζοντας το φαινόμενο Seebeck, το θερμοηλεκτρικό υλικό παράγει επιπλέον τάση, ανακτώντας πολύτιμη ενέργεια από την εγκλωβισμένη θερμότητα η οποία διαφορετικά θα χανόταν στο περιβάλλον.
Το συγκεκριμένο σύστημα δεν σχεδιάστηκε απλώς ως ένα πείραμα επιστήμης υλικών στον πάγκο ενός εργαστηρίου, αλλά ως ένα ολοκληρωμένο εξάρτημα αεροδιαστημικής μηχανικής. Οι επιστήμονες του CAUC κατασκεύασαν ένα στατικό μοντέλο drone σταθερής πτέρυγας, σμιλεύοντας στρατηγικά αεροδυναμικά κανάλια μέσα στο ίδιο το φτερό προκειμένου να τοποθετήσουν τον υβριδικό δέκτη από κάτω. Όταν ο κεντρικός έλικας περιστρέφεται, ωθεί βίαια τον αέρα μέσα από αυτά τα κατασκευασμένα κανάλια, δημιουργώντας ψύξη βεβιασμένης κυκλοφορίας στην κρύα πλευρά του θερμοηλεκτρικού υλικού. Το αποτέλεσμα είναι η διατήρηση του συστήματος σε ιδανικές συνθήκες λειτουργίας, φτάνοντας την εντυπωσιακή απόδοση μετατροπής ενέργειας στο 38,49%.
Η δυνατότητα συνεχούς και αδιάλειπτης λειτουργίας των μη επανδρωμένων αεροσκαφών υπερβαίνει τα όρια της ακαδημαϊκής έρευνας, αποκτώντας άμεση, πρακτική αξία για τις ιδιαίτερες γεωγραφικές και κλιματολογικές συνθήκες της Ελλάδας. Κάθε καλοκαίρι, η ανάγκη για προληπτική επιτήρηση των δασικών εκτάσεων της χώρας αποδεικνύεται επιτακτική. Τα υπάρχοντα συστήματα drones που επιχειρούν για λογαριασμό της Πυροσβεστικής και της Πολιτικής Προστασίας προσφέρουν πολύτιμη οπτική επαφή και θερμική απεικόνιση υψηλής ανάλυσης, όμως οι χειριστές καλούνται να διαχειριστούν τον συνεχή εφιάλτη της προσγείωσης για την αντικατάσταση των άδειων μπαταριών. Ένα δίκτυο επίγειων σταθμών εκπομπής λέιζερ, στρατηγικά τοποθετημένο σε μεγάλα υψόμετρα ή πάνω σε κινητές μονάδες βάσης, θα μπορούσε να διατηρεί σμήνη επιτηρητικών drones μόνιμα στον αέρα. Εθνικοί δρυμοί, όπως η Πάρνηθα ή το δάσος της Δαδιάς, θα μπορούσαν να βρίσκονται υπό το άγρυπνο βλέμμα καμερών επί εικοσιτετραώρου βάσεως, καταγράφοντας με ακρίβεια την παραμικρή εστία καπνού. Επιπλέον, το εξαιρετικά απαιτητικό έργο των ιατρικών και εμπορικών μεταφορών μεταξύ των νησιών του Αιγαίου θα μπορούσε να αναβαθμιστεί πλήρως, εφόσον τα drones θα είχαν τη δυνατότητα να φορτίζουν εν κινήσει, πετώντας πάνω από σταθμούς αναμετάδοσης εγκατεστημένους σε ακτογραμμές ή πλωτές πλατφόρμες.
Το επόμενο μεγάλο στοίχημα της κινεζικής ερευνητικής ομάδας είναι η μετάβαση από το περιβάλλον δοκιμών σε πραγματικές συνθήκες δυναμικής πτήσης εξωτερικού χώρου. Η υλοποίηση του εγχειρήματος απαιτεί την ανάπτυξη υπερ-ακριβών συστημάτων παρακολούθησης λέιζερ, τα οποία θα βασίζονται σε εξελιγμένα gimbals για να «κλειδώνουν» πάνω στον κινούμενο δέκτη του drone με χιλιοστομετρική ακρίβεια, αγνοώντας τις αναταράξεις του ανέμου. Επιπρόσθετα, οι ατμοσφαιρικές συνθήκες, όπως η πυκνή σκόνη, η βροχή και η ομίχλη, προκαλούν ισχυρή σκέδαση στη δέσμη του λέιζερ, μειώνοντας δραματικά την ισχύ της σε μεγάλες αποστάσεις.
Οι παγκόσμιες αρχές αεροπλοΐας, όπως η Υπηρεσία Πολιτικής Αεροπορίας (ΥΠΑ) και η EASA, θα χρειαστεί να θεσπίσουν εξαιρετικά αυστηρά πρωτόκολλα ασφαλείας, προκειμένου να αποτραπεί ο κίνδυνος τύφλωσης των πιλότων στα επανδρωμένα αεροσκάφη από τις ισχυρές δέσμες φωτός που θα διασχίζουν τον εναέριο χώρο.
