来源：环球零碳
撰文 | Yinyin
编辑 | Tang
→这是《环球零碳》的1156篇原创
最近，北京航空航天大学科研团队一项最新的研究成果火上了热搜。
该研究团队利用自主开发的新型静电电机，成功研制出仅重4.21克的太阳能动力微型无人机，重量甚至不及一张A4纸，是目前最小最轻的太阳能飞行器。
这种微型太阳能无人机实现了在纯自然光供能下的持续飞行，相关研究成果发表在国际期刊《Nature》上。
来源：Nature微型无人机（MAV）是一种和昆虫或者鸟类差不多大小的飞行器，也是解决一系列通信、探测和搜救问题的有力解决方案。
然而，MAV目前所面临的一个主要挑战是其飞行时间有限，通常约为30分钟。超轻型 MAV（重量不到10克）通常只能在空中停留不到10分钟。
这是因为传统的微型飞行器采用电磁马达驱动转子，但一个大问题就是小型马达在高速运转时很容易过热，导致能量转换效率急剧下降。
有一种解决办法就是利用太阳能——自然阳光可以作为潜在的能源替代品，大型无人机可装载大面积太阳能电板，以提供足够动能。
但对于微型无人机来说，飞行器越小，收集阳光的电池板表面积就越小，最终能产生的能量也十分有限。
为了克服效率挑战，航空航天大学的研究人员开发了一种静电马达，它利用库仑力（静止带电粒子之间的力）来产生连续的旋转运动。无人机的名字 CoulombFly 也来自这种独特的马达。
“我们首次成功让微型飞行器实现利用自然光飞行。在此之前，只有非常大的无人机才能实现这一目标。”北航能源与动力工程学院教授漆明净说。
此前最小的太阳能飞行器宽度也有2米，重量达到2.6公斤。而北航开发的CoulombFly，体积只有前者的十分之一，重量更是只有前者的1/600，一个手掌就可托起。
来源：Nature要实现微型太阳能无人机的飞行，动力系统是关键。
CoulombFly使用的是静电马达，利用静电场产生运动。静电具有高电压、低电流的特性，电流越小，发热越少。
漆教授介绍到，“跟冬天穿衣服时的静电原理一致。衣服上静电的电压能达到上千伏甚至上万伏，但由于电荷少、电流小，产生的电功率小，对人体几乎无影响。”
研究团队使用的静电马达重量仅为1.52克，具备低功耗（0.568瓦）和高升力（30.7克每瓦）优势。
相比传统电磁电机，静电电机在小质量（5克以内）情况下，其能量转化效率可达传统电磁电机的10倍以上，产生相同升力所需功耗仅为电磁电机的1/10以内。
团队还研制出了仅重1.13克的超轻质高压电能变换器，能够将太阳能电池片产生的电压从4.5伏左右提高至9000伏，相比美国斯坦福大学研发的同类技术升压比提高了92%，这让高压电流在微小尺度下不再那么难以获取。
静电马达外围有两个嵌套的环。内环是一个旋转的转子，有64个板条，每个板条由覆盖铝箔的碳纤维板制成。外环装有八对交替的正极板和负极板，每个板条也由粘合到铝箔的碳纤维板制成。
CoulombFly静电马达上方是与转子相连的20厘米宽的螺旋桨，马达下方是两块高功率密度的薄膜砷化镓太阳能电池，每块电池尺寸为4厘米×6厘米，质量为0.48克，能量转换效率超过30%。
自然光给CoulombFly的外环充电，其16个正/负极板产生电场。外环极板上的电刷接触内环，给转子板条充电。外环极板的电场对带电的转子板条施加力，使内环和螺旋桨旋转。
在自然阳光条件下的测试中（光照强度约为每平方米920瓦），CoulombFly在一秒钟内成功起飞，并持续飞行一小时，性能没有任何下降。
来源：NPG Press在北航研究团队取得该成果之前，此领域的最高水平成果是哈佛大学2019年在Nature发表的Robobee飞行器，但仍需采用人工光源（三倍太阳光）才能实现持续飞行。
研究人员表示，阳光驱动的微型飞行器的潜在应用可能包括长距离和长时间的空中侦察，包括应急救援、狭窄空间探测等类似场景。
CoulombFly的推进系统可产生高达5.8 g的升力。这意味着除了自重4.21之外，它还可以支持大约1.59 g的额外有效载荷。
“这足以容纳最小的可用传感器、控制器、摄像头等，以支持未来的多功能操作”，漆教授说。
“目前，电机、螺旋桨和电路等方面仍有很大改进空间，因此我们认为未来额外有效载荷可提高到4克。如果我们还需要更多的有效载荷，我们可以改用四轴飞行器或固定翼设计，这种设计最多可承载30克。”
漆教授介绍，该飞行器还可以携带一个微型锂离子电池。这意味着它可以储存太阳能电池板的能量，即使在没有太阳光的情况下也能飞行，从而实现24小时运行。
北航研究团队表示，他们的最终目标是制造一种超小型飞行器，其大小和重量与蚊子差不多，翼展不到 1 厘米。
目前，研究团队已经开发出了这种飞行器的原型，其宽度为8毫米，重量仅为9毫克，不过目前还不能依靠自身动力飞行。
不过，研究团队相信，随着微电路技术的不断发展，这一目标也将不再遥远。
首图来源：北京航空航天大学
-------
参考资料：
[1]https://www.nature.com/articles/s41586-024-07609-4
[2]https://www.nature.com/articles/d41586-024-02316-6
[3]https://www.newscientist.com/article/2439277-tiny-solar-powered-drones-could-stay-in-the-air-forever/
[4]https://spectrum.ieee.org/smallest-drone
[5]https://tribune.com.pk/story/2481148/lightweight-solar-powered-drones-promise-indefinite-flight
[6]https://www.guancha.cn/industry-science/2024_07_19_741961.shtml?s=zwyxgtjbt
[7]http://www.news.cn/science/20240719/ce2b810fe422429b8bdd0a92abf50ba1/c.html
[8]https://newatlas.com/drones/solar-electrostatic-drone/
特别声明：以上内容仅代表作者本人的观点或立场，不代表新浪财经头条的观点或立场。如因作品内容、版权或其他问题需要与新浪财经头条联系的，请于上述内容发布后的30天内进行。
