Een team van de faculteit Ingenieurswetenschappen van de National University of Singapore (NUS) heeft de eerste quadcopter-drone op zonne-energie in Azië ontwikkeld. Het vliegtuig heeft tijdens testvluchten meer dan 10 meter gevlogen en heeft een bestuurbare vlucht bereikt zonder het gebruik van batterijen.

Vliegtuigen die direct kunnen opstijgen en landen zonder dat er een startbaan nodig is, zoals helikopters en quadcopters, zijn aantrekkelijk voor persoonlijke, commerciële en militaire toepassingen omdat ze minder fysieke ruimte en infrastructuur nodig hebben in vergelijking met traditionele vliegtuigen met vaste vleugels. Een team van de National University of Singapore (NUS) heeft een grote stap voorwaarts gezet in het uitbreiden van de mogelijkheden van quadcopter-drones door de vlucht uitsluitend van natuurlijk zonlicht te voorzien.

Een primeur in Azië, het huidige prototype heeft tijdens testvluchten meer dan 10 meter gevlogen - hoger dan een typisch gebouw met drie verdiepingen - en gebruikt zonne-energie zonder batterij of andere energieopslag aan boord.

Deze drone op zonne-energie dat is ontwikkeld als een studentenproject onder het Innovation &Design Program (iDP) aan de NUS-faculteit Ingenieurswetenschappen, kan verticaal opstijgen en landen zonder landingsbaan. Gemaakt van lichtgewicht koolstofvezelmateriaal, de quadcopter-drone weegt slechts 2,6 kg, en heeft een oppervlakte van circa 4 m². Het is uitgerust met 148 individueel gekarakteriseerde siliciumzonnecellen en wordt ondersteund door een frame dat is uitgerust met vier rotoren.

Een grote luchtvaartprestatie

Draaivleugelvliegtuigen zijn aanzienlijk minder efficiënt in het genereren van lift in vergelijking met hun tegenhangers met vaste vleugels. Vandaar, hoewel er de afgelopen jaren voorbeelden zijn geweest van vliegtuigen op zonne-energie, een levensvatbaar vliegtuig dat voor 100 procent op zonne-energie kan draaien en verticaal kan opstijgen en landen, blijft tot op heden een grote technische uitdaging.

"Ons vliegtuig is extreem licht voor zijn grootte, en het kan vliegen zolang er zonlicht is, zelfs voor uren. In tegenstelling tot conventionele quadcopter-drones, onze vliegtuigen zijn niet afhankelijk van boordbatterijen en worden daarom niet beperkt door de vliegtijd. Het vermogen om op elk vlak oppervlak te landen en op een gecontroleerde manier uit de grond te vliegen, maakt het ook geschikt voor praktische implementatie, " zei universitair hoofddocent Aaron Danner van de afdeling Electrical and Computer Engineering aan de NUS Faculty of Engineering, die het project begeleidde.

De quadcopter-drone op zonne-energie kan worden bestuurd met een afstandsbediening of worden geprogrammeerd om autonoom te vliegen met behulp van een GPS-systeem dat in het vliegtuig is ingebouwd. Het vliegtuig kan mogelijk worden gebruikt als een 'vliegend zonnepaneel' om noodzonne-energie te leveren aan rampgebieden, ook voor fotografie, kleine pakket levering, toezicht en inspectie. Batterijen kunnen worden ingebouwd om het vliegtuig van stroom te voorzien wanneer er geen zonlicht is of om tijdens de vlucht op te laden om het vliegtuig te laten werken wanneer het bewolkt of donker is. Voor specifieke toepassingen kan ook andere hardware zoals camera's worden meegeleverd.

Sinds 2012, acht NUS-studententeams hebben opeenvolgende ontwerpverbeteringen aangebracht en gewerkt aan een volledig op zonne-energie aangedreven vliegtuig onder toezicht van Assoc Prof Danner, die ook een gezamenlijke aanstelling heeft bij het Solar Energy Research Institute van Singapore bij NUS. De eerste quadcopter-drone met zonne-energie die in 2012 door studenten werd ontwikkeld, kon slechts 45 procent van het vliegvermogen uit zonnecellen halen en de rest uit batterijen aan boord.

Het nieuwste elftal, bestaande uit toen laatstejaars NUS Engineering-studenten, de heer Goh Chong Swee, de heer Kuan Jun Ren en de heer Yeo Jun Han, verdere verfijningen aangebracht aan de eerdere prototypes van de quadcopter-drone. Ze bereikten uiteindelijk een volledig op zonne-energie aangedreven vlucht met hun nieuwste prototype. De teamleden, die net zijn afgestudeerd aan NUS in juli 2018, werden gezamenlijk begeleid door de heer Brian Shohei Teo van het iDP-programma voor dit project.

De heer Yeo zei:"We kwamen veel technische uitdagingen tegen bij het bouwen van de drone. Deze omvatten het vinden van een optimaal aantal zonnecellen die efficiënt en licht genoeg zijn om het voortstuwingssysteem van stroom te voorzien, die op zijn beurt licht moet zijn en tegelijkertijd voldoende stuwkracht moet kunnen produceren om het vliegtuig op te tillen. Andere problemen waarmee we werden geconfronteerd, waren onder meer het afstemmen en kalibreren van vluchtbesturingen om de vluchtstabiliteit te verbeteren, evenals het ontwerpen van een frame dat lichtgewicht en toch voldoende stijf is. Dit is een uitstekende leermogelijkheid voor ons geweest."

"In staat zijn om iets lang onder controle te laten vliegen is een zeer complex technisch probleem. Onze studenten hebben de vlucht in zijn puurste vorm bereikt, aangedreven door natuurlijk zonlicht. Dit is een geweldige prestatie, ’ zei meneer Teo.

Het team zal het vliegtuig blijven verfijnen om de efficiëntie verder te verbeteren. Met deze verbeteringen, ze hopen de technologie dichter bij commercialisering te brengen.