Ingenieurs hebben een efficiëntere windsensor ontworpen en met succes getest voor gebruik op drones, ballonnen en andere autonome vliegtuigen.

Deze windsensoren, anemometers genaamd, worden gebruikt om de windsnelheid en -richting te bewaken. Naarmate de vraag naar autonome vliegtuigen toeneemt, zijn volgens onderzoekers betere windsensoren nodig om het voor deze voertuigen gemakkelijker te maken om weersveranderingen waar te nemen en veiliger te starten en te landen.

Dergelijke verbeteringen kunnen de manier waarop mensen hun lokale luchtruim gebruiken verbeteren, of het nu gaat om drones die pakketten afleveren of passagiers die op een dag in onbemande vliegtuigen vliegen, zei Marcelo Dapino, co-auteur van de studie en een professor in mechanische en ruimtevaarttechniek aan de Ohio State University .

"Ons vermogen om het luchtruim te gebruiken om dingen op een efficiënte manier te verplaatsen of te vervoeren, heeft enorme maatschappelijke implicaties", zei Dapino. "Maar om deze vliegende objecten te bedienen, moeten nauwkeurige windmetingen in realtime beschikbaar zijn, of het voertuig nu bemand of onbemand is." Naast het helpen van objecten in de lucht over lange afstanden, zijn nauwkeurige windmetingen ook belangrijk voor het voorspellen van energie en het optimaliseren van de prestaties van windturbines, zei hij.

Hun onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Frontiers in Materials .

Conventionele anemometers verschillen in hoe ze hun gegevens verzamelen, maar ze hebben allemaal beperkingen, zei Dapino. Omdat windmeters duur kunnen zijn om te maken, veel energie verbruiken en een hoge luchtweerstand hebben - wat betekent dat het instrument de beweging van het vliegtuig door de lucht tegengaat - zijn veel typen niet geschikt voor kleine vliegtuigen. Maar de anemometer van het Ohio State-team is lichtgewicht, energiezuinig, heeft weinig weerstand en is gevoeliger voor drukveranderingen dan conventionele typen.

Leon Headings, co-auteur van de studie en een senior onderzoeksmedewerker in mechanische en ruimtevaarttechniek aan de Ohio State, zei dat het instrument is gemaakt van slimme materialen - materie met eigenschappen die kunnen worden gecontroleerd, waardoor ze hun omgeving kunnen voelen en erop kunnen reageren. Het team gebruikte een elektrisch polymeer genaamd polyvinylideenfluoride (PVDF). PVDF wordt veel gebruikt in architecturale coatings en lithium-ionbatterijen en kan piëzo-elektrisch zijn, wat betekent dat het elektrische energie produceert wanneer er druk op wordt uitgeoefend. Deze energie kan worden gebruikt om het apparaat van stroom te voorzien. De gemeten spanning of verandering in capaciteit van een stuk flexibele PVDF-film kan worden gecorreleerd aan de windsnelheid.

De PVDF-sensor is verwerkt in een vleugelprofiel, vergelijkbaar met een vliegtuigvleugel, waardoor de luchtweerstand wordt verminderd. Omdat het vleugelprofiel vrij kan draaien als een windvaan, kan het worden gebruikt om de windrichting te meten.

Maar om te testen hoe hun apparaat het zou doen als het eenmaal was blootgesteld aan de atmosfeer van de aarde, ontwierpen onderzoekers een tweeledig experiment. Eerst werd de druksensor getest in een afgesloten kamer om de gevoeligheid ervan te bepalen. Vervolgens werd de sensor ingebouwd in een vleugelprofiel en getest in een windtunnel. Uit de resultaten bleek dat de sensor zowel de druk als de windsnelheid uitstekend meet. Een klein digitaal magnetometerkompas dat in het vleugelprofiel is geïntegreerd, levert nauwkeurige gegevens over de windrichting door de absolute oriëntatie van het vleugelprofiel ten opzichte van het aardmagnetisch veld te meten.

Maar er moet meer onderzoek worden gedaan om het concept van de windsensor te verplaatsen van een gecontroleerde onderzoeksomgeving naar commerciële toepassingen. Terwijl zijn team blijft werken met PVDF en andere geavanceerde materialen om de sensortechnologie te verbeteren, hoopt Dapino dat hun werk uiteindelijk zal leiden tot technologie die buiten vliegtuigen kan worden gebruikt, zoals voor windturbines voor schone, efficiënte en gemakkelijk beschikbare energie voor de openbaar.

"Dit zijn zeer geavanceerde materialen en ze kunnen in veel toepassingen worden gebruikt", zegt Dapino. "Op die toepassingen willen we voortbouwen om compacte windenergie opwekking in huis te halen." + Verder verkennen

Neurale netwerken die worden gebruikt om de prestaties van krachtige windturbines te verbeteren