Le plus petit et le plus léger drone à énergie solaire prend son envol
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Des scientifiques chinois ont construit ce qu'ils prétendent être le plus petit et le plus léger des véhicules aériens fonctionnant à l'énergie solaire. Il est suffisamment petit pour tenir dans la paume de la main, pèse moins d'une pièce de cinq cents et peut voler indéfiniment tant que le soleil brille dessus.
Les micro-véhicules aériens (MAV) sont des aéronefs de la taille d'insectes et d'oiseaux qui pourraient s'avérer utiles pour la reconnaissance et d'autres applications possibles. Cependant, l'un des principaux problèmes auxquels les MAV sont actuellement confrontés est leur temps de vol limité, généralement d'environ 30 minutes. Les MAV ultralégers, ceux qui pèsent moins de 10 grammes, ne peuvent souvent rester en vol que moins de 10 minutes.
Une solution potentielle pour permettre aux MAV de voler plus longtemps est de les alimenter avec une source d’énergie constante, comme la lumière du soleil. Aujourd’hui, dans le cadre d’une nouvelle étude, des chercheurs ont développé ce qu’ils disent être le premier MAV à énergie solaire capable de voler de manière prolongée.
Le nouveau MAV ultraléger, CoulombFly, ne pèse que 4,21 g et a une envergure de 20 centimètres. C'est environ 10 fois plus petit et environ 600 fois plus léger que le plus petit avion solaire précédent, un quadricoptère de 2 mètres de large et pesant 2,6 kilogrammes.
Essai de vol propulsé par la lumière du soleil
« Mon objectif ultime est de créer un minuscule engin volant, de la taille et du poids d’un moustique, avec une envergure inférieure à 1 centimètre », explique Mingjing Qi, professeur d’ingénierie énergétique et électrique à l’université Beihang de Pékin. Mingjing Qi et les scientifiques qui ont construit CoulombFly ont développé un prototype d’un tel engin, mesurant 8 millimètres de large et 9 milligrammes de masse, « mais il ne peut pas encore voler par ses propres moyens. Je pense que grâce au développement continu de la technologie des microcircuits, nous pouvons y parvenir. »
Les véhicules aériens fonctionnant à l'énergie solaire sont généralement équipés de moteurs électromagnétiques , qui utilisent des électroaimants pour générer le mouvement. Cependant, plus un avion solaire est petit, moins il dispose de surface pour capter la lumière du soleil, ce qui réduit la quantité d'énergie qu'il peut générer. De plus, l'efficacité des moteurs électromagnétiques diminue considérablement à mesure que la taille des véhicules diminue.
Les petits moteurs électromagnétiques subissent des frottements comparativement plus importants que les plus gros, ainsi que des pertes d'énergie plus importantes en raison de la résistance électrique de leurs composants. Cela se traduit par un faible rendement de la portance par rapport à la puissance, expliquent Mingjing Qi et ses collègues.
CoulombFly utilise plutôt un moteur électrostatique, qui produit le mouvement à l'aide de champs électrostatiques. Les moteurs électrostatiques sont généralement utilisés comme capteurs dans les systèmes microélectromécaniques ( MEMS ), et non pour la propulsion aérienne. Néanmoins, avec une masse de seulement 1,52 gramme, le moteur électrostatique utilisé par les scientifiques a un rendement de portance deux à trois fois supérieur à celui des autres moteurs MAV.
Le moteur électrostatique est composé de deux anneaux imbriqués. L'anneau intérieur est un rotor rotatif doté de 64 lamelles, chacune constituée d'une feuille de fibre de carbone recouverte d'une feuille d'aluminium. Il ressemble à une clôture en bois courbée en cercle, avec des espaces entre les poteaux de la clôture. L'anneau extérieur est équipé de huit paires alternées de plaques d'électrodes positives et négatives, qui sont chacune également constituées d'une feuille de fibre de carbone collée à une feuille d'aluminium. Le bord de chaque plaque possède également une brosse en aluminium qui touche les lamelles de l'anneau intérieur.
Au-dessus du moteur électrostatique de CoulombFly se trouve une hélice de 20 cm de large reliée au rotor. Sous le moteur se trouvent deux cellules solaires à l'arséniure de gallium à couche mince de haute densité de puissance, chacune mesurant 4 x 6 cm, avec une masse de 0,48 g et une efficacité de conversion énergétique de plus de 30 %.
La lumière du soleil charge électriquement l'anneau extérieur de CoulombFly, et ses 16 plaques génèrent des champs électriques. Les balais des plaques de l'anneau extérieur touchent l'anneau intérieur, chargeant électriquement les lamelles du rotor. Les champs électriques des plaques de l'anneau extérieur exercent une force sur les lamelles du rotor chargées, faisant tourner l'anneau intérieur et l'hélice.
Lors de tests effectués dans des conditions de lumière naturelle du soleil (environ 920 watts de lumière par mètre carré), le CoulombFly a réussi à décoller en une seconde et à maintenir son vol pendant une heure sans aucune détérioration de ses performances. Les applications potentielles des MAV alimentés par la lumière solaire pourraient inclure la reconnaissance aérienne longue distance et de longue durée, selon les chercheurs.
Essai à long terme pour le fonctionnement en vol stationnaire
Le système de propulsion de CoulombFly peut générer jusqu’à 5,8 g de portance. Cela signifie qu’il pourrait supporter une charge utile supplémentaire d’environ 1,59 g, ce qui est « suffisant pour accueillir les plus petits capteurs, contrôleurs, caméras, etc. disponibles » pour soutenir les futures opérations autonomes, explique Mingjing Qi. « À l’heure actuelle, il y a encore beaucoup de marge pour améliorer des éléments tels que les moteurs, les hélices et les circuits, nous pensons donc pouvoir augmenter la charge utile jusqu’à 4 grammes à l’avenir. Si nous avons besoin d’encore plus de charge utile, nous pourrions passer à des quadricoptères ou à des modèles à voilure fixe, qui peuvent transporter jusqu’à 30 grammes. »
Mingjing Qi ajoute : « Le véhicule devrait pouvoir embarquer une petite batterie lithium-ion. » Cela signifie qu’il pourrait stocker l’énergie de ses panneaux solaires et voler même lorsque le soleil n’est pas là, ce qui permettrait potentiellement de fonctionner 24 heures sur 24."
À l’avenir, « nous prévoyons d’utiliser ce système de propulsion dans différents types de véhicules volants, comme les aéronefs à voilure fixe et les giravions », explique Mingjing Qi.
Les scientifiques ont détaillé leurs conclusions en ligne le 17 juillet dans la revue Nature .