Ученые рассчитали, какие аккумуляторы позволят беспилотникам летать месяцами
Беспилотные самолеты на солнечной энергии смогут оставаться в воздухе неделями или даже месяцами, если разработать аккумуляторы с определенными характеристиками. К такому выводу пришла международная группа исследователей из Гарвардского университета, Мичиганского университета и промышленных компаний. Работа опубликована в журнале ACS Energy Letters.
По расчетам ученых, для длительных полетов батареи должны хранить не менее 500 Вт·ч энергии на килограмм массы. Такой показатель примерно вдвое превышает удельную энергоемкость современных аккумуляторов для электромобилей.
Почему важен вес батареи
Самолеты этого типа будут летать в стратосфере на высоте около 18 км. Днем солнечные панели смогут питать двигатели и одновременно заряжать аккумуляторы, а ночью накопленная энергия позволит продолжать полет.
Однако увеличение емкости батареи создает проблему. Чем больше энергии требуется запасти, тем тяжелее становится аккумулятор. Самолету приходится тратить больше энергии на поддержание полета, поэтому батарея должна быть еще мощнее и тяжелее.
«Возникает замкнутый математический круг: вам нужно больше энергии для хранения, но батареи становятся тяжелее, поэтому требуется больше мощности, чтобы перемещать их по воздуху и создавать подъемную силу», — объяснил Крейг Маскаренхас, руководивший исследованием в лаборатории атмосферного ученого Гарвардского университета Джима Андерсона.
Поэтому ученые предлагают сосредоточиться прежде всего на удельной энергоемкости — количестве энергии, которое аккумулятор может хранить на единицу массы. Способность быстро отдавать энергию здесь менее важна, поскольку для полета требуется сравнительно небольшая мощность, но запас должен покрывать всю ночь.
До нужного показателя еще есть путь
Для коммерческих аккумуляторов электромобилей характерна энергоемкость около 250 Вт·ч/кг. Экспериментальные и специализированные элементы уже достигают примерно 400 Вт·ч/кг, поэтому ориентир в 500 Вт·ч/кг выглядит достижимым. Пока такие решения остаются дорогими.
«Мы уже почти у цели. Сейчас эти элементы очень дорогие, но их стоимость быстро снижается», — отметил Маскаренхас.
При этом исследование не описывает готовый аккумулятор или самолет, способный летать месяцами. Авторы рассчитали технический ориентир, который поможет направить дальнейшую разработку батарей. Реальная продолжительность полетов будет зависеть и от атмосферных условий в конкретном регионе.
Самолеты для наблюдения за пожарами
Длительные полеты позволили бы регулярно наблюдать за одними и теми же территориями, отслеживать развитие ураганов, изучать климат и обнаруживать лесные пожары.
Для сравнения, пилотируемый исследовательский самолет НАСА ER-2 обычно проводит в воздухе от шести до восьми часов. Полеты обходятся в десятки тысяч долларов за час, согласно данным, приведенным в описании исследования.
Солнечные беспилотники потенциально смогут собирать данные на протяжении нескольких месяцев, сократив потребность в частых вылетах и обслуживании экипажа. Джим Андерсон уже около 30 лет изучает концепции таких аппаратов и участвует в проекте SACOS — системы стратосферных наблюдений за климатом.
Исследователи также разрабатывают методы обработки данных с помощью глубокого обучения и моделей переноса излучения, которые могут помочь в картографировании лесных пожаров и мониторинге окружающей среды.
«Я хочу уменьшить ущерб и разрушения, которые лесные пожары причиняют по всему миру. Возможности, которые открывает этот проект, действительно впечатляют», — сказал Маскаренхас.
