شارژ پهپاد با لیزر یک گام به واقعیت نزدیک‌تر شد

پژوهشگران چینی سامانه‌ای مبتنی بر لیزر و سلول‌های پروسکایتی توسعه داده‌اند که می‌تواند پهپادها را بدون فرود شارژ کند و با افزایش بازده تبدیل انرژی، راه را برای پروازهای طولانی‌تر هموار سازد.

کد خبر: ۴۳۴۵۷۶

تاریخ : ۰۸ مرداد ۱۴۰۵ - ۱۵:۴۴

نوشته

به گزارش شهرآرانیوز؛ فناوری شارژ بی‌سیم امروزه در وسایلی مانند تلفن همراه، ساعت هوشمند و هدفون کاربرد گسترده‌ای دارد، اما انتقال همین قابلیت به آسمان با دشواری‌های بیشتری همراه است. پهپاد‌ها برای پرواز به باتری وابسته‌اند و ظرفیت محدود باتری باعث می‌شود پس از مدت مشخصی فرود بیایند. این محدودیت در مأموریت‌هایی مانند بازرسی جنگل‌ها، پایش مناطق آسیب‌دیده از حوادث و بلایای طبیعی یا تحویل بسته اهمیت زیادی دارد. فرود‌های مکرر برای تعویض یا شارژ باتری، زمان عملیات را کاهش می‌دهد و ممکن است انجام بعضی مأموریت‌ها در مناطق دورافتاده یا خطرناک را با مشکل روبه‌رو کند.

انتقال انرژی با لیزر یکی از راه‌های احتمالی برای غلبه بر این محدودیت است. در این روش، انرژی نور از فاصله دور به یک گیرنده نصب‌شده روی پهپاد فرستاده و سپس به برق تبدیل می‌شود. با این حال، بخش قابل توجهی از انرژی لیزر می‌تواند به گرما تبدیل شود. افزایش بیش از اندازه دما، کارایی گیرنده را پایین می‌آورد و ممکن است عملکرد دستگاه را در دوره‌های طولانی مختل کند. بنابراین، ساخت گیرنده‌ای سبک، پربازده و مقاوم در برابر گرما برای استفاده عملی از این فناوری ضروری است. چنین سامانه‌ای باید علاوه بر تبدیل مناسب نور به برق، با ساختار بال و جریان هوای اطراف وسیله پرنده نیز سازگار باشد.

گروهی از پژوهشگران به سرپرستی جیانهوا هان، از دانشگاه هوانوردی غیرنظامی چین، تحقیقی را درباره شارژ پهپاد‌ها با انتقال انرژی لیزری انجام داده‌اند. آنها سامانه‌ای سبک بر پایه طراحی سلول‌های خورشیدی ساختند که به جای دریافت نور معمول خورشید، برای جذب انرژی یک پرتو لیزر بهینه شده است. هدف پژوهش، بررسی امکان تبدیل نور لیزر به برق و ادغام گیرنده با بال پهپاد، همراه با کنترل گرمای تولیدشده بود.

آنها برای این منظور دستگاهی ترکیبی از یک سلول لیزری پروسکایتی و یک لایه ترموالکتریک ساختند. پروسکایت در اینجا ماده‌ای است که می‌تواند انرژی نور لیزر را به انرژی الکتریکی تبدیل کند. لایه ترموالکتریک نیز از اختلاف دما برای تولید برق استفاده می‌کند؛ یعنی هرچه تفاوت دمای میان سمت گرم رو به لیزر و سمت خنک‌تر دستگاه بیشتر باشد، امکان تولید برق بیشتری وجود دارد. این لایه بخشی از انرژی را که در حالت عادی به شکل گرما تلف می‌شود، دوباره به برق تبدیل می‌کند.

{$sepehr_key_235600}

آزمایش‌های اولیه نشان دادند که تاباندن لیزر پرقدرت، گیرنده را به‌شدت گرم می‌کند. تصاویر دوربین حرارتی دمایی میان ۸۰ تا ۹۰ درجه سانتی‌گراد را نشان دادند؛ مقداری که به گفته هان بسیار بیشتر از انتظار پژوهشگران بود. برای کاهش انتقال گرما، آنها نانوبلور‌های ویژه‌ای را در دستگاه قرار دادند. نانوبلور‌ها ذرات بلوری بسیار کوچکی هستند که در این سامانه گرما را به‌خوبی هدایت نمی‌کنند. این ویژگی باعث می‌شود آنها مانند یک سد حرارتی عمل کنند، سرعت عبور گرما را کاهش دهند و به حفظ عملکرد گیرنده در زمان تابش طولانی‌تر لیزر کمک کنند.

در ادامه، سامانه با یک لیزر سبز آزمایش شد و توانست حدود ۴۰ درصد از انرژی دریافتی را به برق تبدیل کند. این میزان یکی از بالاترین بازده‌های گزارش‌شده برای این دسته از فناوری‌ها در شرایط مشابه به شمار می‌رود. پژوهشگران همچنین دستگاه را در زیر بال یک مدل ثابت پهپاد نصب کردند و درون بال، کانال‌هایی برای عبور هوا ایجاد کردند. تاباندن لیزر سبز به گیرنده توانست پره ملخ این مدل را به حرکت درآورد.

جریان هوا از کانال‌های داخل بال، سمت سرد لایه ترموالکتریک را بیشتر خنک کرد و در نتیجه عملکرد کلی سامانه افزایش یافت. این آزمایش نشان داد که شکل و ساختار بال می‌تواند بخشی از راهکار مدیریت دما باشد. به بیان ساده، هوایی که از بال عبور می‌کند، به حفظ اختلاف دما میان دو سمت لایه ترموالکتریک کمک می‌کند؛ اختلافی که هم تولید برق از گرمای تلف‌شده را افزایش می‌دهد و هم مانع افت شدید کارایی گیرنده می‌شود.

اهمیت این یافته‌ها تنها به ساخت یک ماده یا سلول جدید محدود نیست. پژوهشگران تلاش کرده‌اند نشان دهند که گیرنده چگونه می‌تواند با یک وسیله پرنده ادغام شود و در شرایط نزدیک‌تر به کاربرد واقعی، هم‌زمان انرژی دریافت کند و خنک بماند. هان تأکید کرده است که مسئله شارژ لیزری پهپاد‌ها فقط یک موضوع مرتبط با علم مواد نیست، بلکه یک چالش مهندسی نیز محسوب می‌شود. وزن گیرنده، محل نصب، جریان هوا، پایداری عملکرد و سازگاری آن با پرواز همگی در عملی شدن این فناوری نقش دارند.

اما با وجود نتایج اولیه، این دستگاه هنوز در حال پرواز آزمایش نشده است. مرحله بعدی پژوهش، نصب آن روی یک پهپاد سبک و ارزیابی عملکرد قابل اعتماد سامانه در فضای باز خواهد بود. افزون بر این، هدایت دقیق پرتو به سوی پهپادی که پیوسته در حال حرکت است، چالش مهمی به شمار می‌رود. ایمنی استفاده از لیزر نیز باید به‌طور جدی بررسی شود. پژوهشگران این روش را نمونه‌ای از امکان «سوخت‌گیری پهپاد با نور» توصیف کرده‌اند، اما اذعان دارند که تبدیل نمونه آزمایشگاهی به یک فناوری گسترده، مستلزم حل مجموعه‌ای از مسائل فنی و ایمنی است.

نتایج این تحقیق، در نشریه علمی Matter & Light منتشر شده‌اند؛ نشریه‌ای که به مجموعه انتشارات علمی Cell Press وابسته است. این تحقیق نقطه شروعی برای توسعه سامانه‌هایی محسوب می‌شود که شاید در آینده مدت فعالیت پهپاد‌ها را افزایش دهند و نیاز آنها به فرود‌های مکرر برای تعویض باتری را کاهش دهند.

منبع: ایسنا

{$sepehr_key_235599}