Cientistas na China construíram o que eles dizem ser o menor e mais leve veículo aéreo movido a energia solar. Ele é pequeno o suficiente para caber na palma da mão de uma pessoa, pesa menos que um níquel americano e pode voar indefinidamente enquanto o sol brilha sobre ele.
Micro veículos aéreos (MAVs) são aeronaves do tamanho de insetos e pássaros que podem ser úteis para reconhecimento e outras aplicações possíveis. No entanto, um grande problema que os MAVs enfrentam atualmente é seu tempo de voo limitado, geralmente cerca de 30 minutos. MAVs ultraleves — aqueles que pesam menos de 10 gramas — geralmente só conseguem ficar no ar por menos de 10 minutos.
Uma maneira potencial de manter os MAVs voando por mais tempo é alimentá-los com uma fonte consistente de energia, como a luz solar. Agora, em um novo estudo, pesquisadores desenvolveram o que eles dizem ser o primeiro MAV movido a energia solar capaz de voo sustentado.
O novo MAV ultraleve, CoulombFly, tem apenas 4,21 g com uma envergadura de 20 centímetros. Isso é cerca de 10 vezes menor e aproximadamente 600 vezes mais leve que a menor aeronave movida a luz solar anterior, uma quadricóptero que tem 2 metros de largura e pesa 2,6 quilos.
Teste de voo alimentado por luz solarNatureza
“Meu objetivo final é fazer um veículo voador superpequeno, do tamanho e peso de um mosquito, com uma envergadura de menos de 1 centímetro”, diz Mingjing Qi, professor de energia e engenharia de energia na Universidade Beihang em Pequim. Qi e os cientistas que construíram o CoulombFly desenvolveram um protótipo de tal aeronave, medindo 8 milímetros de largura e 9 miligramas de massa, “mas ele ainda não consegue voar com sua própria energia. Acredito que com o desenvolvimento contínuo da tecnologia de microcircuitos, podemos fazer isso acontecer.”
Os veículos aéreos anteriores movidos a luz solar normalmente dependem de motores eletromagnéticosque usam eletroímãs para gerar movimento. No entanto, quanto menor for uma aeronave movida a energia solar, menor será a área de superfície que ela terá para coletar luz solar, reduzindo a quantidade de energia que pode gerar. Além disso, a eficiência dos motores eletromagnéticos diminui drasticamente à medida que os veículos diminuem de tamanho. Motores eletromagnéticos menores experimentam atrito comparativamente maior do que os maiores, bem como maiores perdas de energia devido à resistência elétrica de seus componentes. Isso resulta em baixas eficiências de sustentação para potência, explicam Qi e seus colegas.
CoulombFly, em vez disso, emprega um motor eletrostático, que produz movimento usando campos eletrostáticos. Motores eletrostáticos são geralmente usados como sensores em sistemas microeletromecânicos (MEMS), não para propulsão aérea. No entanto, com uma massa de apenas 1,52 gramas, o motor eletrostático que os cientistas usaram tem uma eficiência de elevação para potência duas a três vezes maior que a de outros motores MAV.
O motor eletrostático tem dois anéis aninhados. O anel interno é um rotor giratório que possui 64 ripas, cada uma feita de uma folha de fibra de carbono coberta com papel alumínio. Ele se assemelha a uma cerca de madeira curvada em um círculo, com espaços entre os postes da cerca. O anel externo é equipado com oito pares alternados de placas de eletrodos positivos e negativos, que também são feitos de uma folha de fibra de carbono colada a papel alumínio. A borda de cada placa também possui uma escova feita de alumínio que toca as ripas do anel interno.
Acima do motor eletrostático do CoulombFly há uma hélice de 20 cm de largura e conectada ao rotor. Abaixo do motor há duas células solares de arsenieto de gálio de película fina de alta densidade de potência, cada uma com 4 por 6 cm de tamanho, com uma massa de 0,48 g e uma eficiência de conversão de energia de mais de 30 por cento.
A luz solar carrega eletricamente o anel externo do CoulombFly, e suas 16 placas geram campos elétricos. As escovas nas placas do anel externo tocam o anel interno, carregando eletricamente as lâminas do rotor. Os campos elétricos das placas do anel externo exercem força nas lâminas do rotor carregadas, fazendo o anel interno e a hélice girarem.
Em testes sob condições naturais de luz solar — cerca de 920 watts de luz por metro quadrado — o CoulombFly decolou com sucesso em um segundo e manteve o voo por uma hora sem nenhuma deterioração no desempenho. Aplicações potenciais para MAVs movidos a luz solar podem incluir reconhecimento aéreo de longa distância e longa duração, dizem os pesquisadores.
Teste de longo prazo para operação de pairarNatureza
O sistema de propulsão do CoulombFly pode gerar até 5,8 g de sustentação. Isso significa que ele pode suportar uma carga útil extra de aproximadamente 1,59 g, o que é “suficiente para acomodar os menores sensores, controladores, câmeras e assim por diante” para suportar futuras operações autônomas, diz Qi. “No momento, ainda há muito espaço para melhorar coisas como motores, hélices e circuitos, então achamos que podemos obter a carga útil extra de até 4 gramas no futuro. Se precisarmos de ainda mais carga útil, podemos mudar para quadricópteros ou projetos de asa fixa, que podem transportar até 30 gramas.”
Qi acrescenta que “deve ser possível para o veículo transportar uma pequena bateria de íons de lítio”. Isso significa que ele poderia armazenar energia de seus painéis solares e voar mesmo quando o sol não estiver brilhando, potencialmente permitindo operações 24 horas.
No futuro, “planejamos usar esse sistema de propulsão em diferentes tipos de veículos voadores, como aeronaves de asa fixa e de rotor”, diz Qi.
Os cientistas detalharam suas descobertas online 17 de julho no jornal Natureza.
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