Güneş pilli drone güneş ışığında uçuyor

Avusturya Johannes Kepler Üniversitesi (JKU) Linz’den araştırmacılar , bir drone’u şarj edebilen ultra ince, ultra hafif güneş pilleri geliştirdiler .

Yeterli güneş ışığı mevcut olduğunda, bu güneş modülü 250 mW güç veya gram başına 44 watt üretebilir. Çok fazla güç olmasa da, dronların daha otonom çalışmasına olanak tanıyan konsept kanıtı dikkat çekici. Araştırmacılar, güneş hücrelerinin performansını test etmek için Solar Hopper adını verdikleri otonom, hibrit güneş enerjisiyle çalışan bir drone geliştirdiler ve uçurdular.

Uçuş testleri sırasında güneş enerjisi hunisi, pillerini şarj etmek için yalnızca güneş ışığını kullanarak birden fazla şarj-uçuş-şarj döngüsünü çalıştırabildi ve tamamlayabildi.

“Güneş enerjisi besleme hunisi, enerji açısından otonom bir hava aracının büyük ölçekli haritalama, gözetleme, arama ve kurtarma, keşif vb. gibi çeşitli görevleri nasıl yerine getirebileceğini gösteriyor. Görevini tamamladıktan sonra hazne, yeniden şarj oluyor ve yeniden başlıyor; bu da onun Araştırmacılardan biri ve JKU Linz’de doktora öğrencisi olan Christoph Putz, ZME Science’a şöyle konuştu : “Harici güç kaynakları olmadan sürekli olarak çalışıyorlar.”

Drone’lar için Perovskit güneş pilleri

Geleneksel güneş pilleri silikondan yapılırken, güneş hunisine güç sağlayan ultra ince ve ultra hafif hücreler perovskitten oluşuyor. Bu, LED’lerde, Li-ion pil uygulamalarında, fotodetektörlerde ve lazerlerde kullanılan bir kalsiyum titanyum oksit mineralidir.

Son yıllarda perovskit bazlı güneş pilleri de yüksek verimlilik ve düşük maliyetli üretim potansiyelleri nedeniyle büyük ilgi görmeye başladı . 2016 yılında yapılan bir araştırma , ideal güneş ışığı koşullarında silikon hücrelerin bir watt’lık güç üretmesinin 75 sente mal olduğunu, perovskit hücrelerin ise aynı çıktıyı yalnızca 10 ila 20 sente elde edebildiğini öne sürüyor.

Araştırmacılara göre bu hücreler aynı zamanda otonom dronlara güç sağlama bağlamında geleneksel silikon güneş pillerine göre çok sayıda avantaj sunuyor.

Örneğin, perovskit güneş pilleri ultra ince katmanlar halinde üretilebiliyor ve bu da onları güç çıkışından ödün vermeden olağanüstü derecede hafif hale getiriyor. Aslında Solar Hopper’daki güneş pilleri insan saçından 20 kat daha incedir .

Silikon hücrelerle karşılaştırıldığında, aynı zamanda yüksek bir güç-ağırlık oranı da sunarlar, bu da onları hava araçları gibi ağırlığın çok önemli olduğu uygulamalar için ideal kılar. Ayrıca düşük ışık koşullarında bile iyi performans gösterebilirler ve bu nedenle bulutlu veya kısmen gölgeli alanlar gibi değişken aydınlatma ortamlarında çalışan drone’lar için uygundurlar.

Üstelik esnek alt tabakalar üzerinde üretilebilmeleri, onları hafif ve karmaşık yüzeylere karşı şekillendirilebilir hale getiriyor.

Putz, “Bu avantajlardan yararlanarak perovskit güneş pilleri, otonom hava araçlarına güç sağlamak için ilgi çekici bir çözüm sunuyor, daha uzun uçuş süreleri, artırılmış operasyonel menzil ve gelişmiş görev yetenekleri sağlıyor” dedi.

Ayrıca, “Ultra ince güneş pilleri sadece quadcopter dronlara özgü değil; Uçaklar, balonlar ve hatta akıllı saatler, biyosensörler veya akıllı telefonlar gibi giyilebilir elektronikler de dahil olmak üzere çeşitli hava araçları da gelişmiş performans için bu teknolojiden yararlanabilir” diye ekledi.

Solar Hopper uçuş testleri

Solar Hopper, birbirine bağlı 24 perovskit güneş pili içeren dairesel bir çerçeveyle donatılmış, kendine özgü bir görünüme sahip, hibrit güçte bir quadcopter drone’dur.

Güneş modülünün tamamı drone’dan 25 kat daha hafiftir ve perovskit hücrelerin ağırlığı, uçağın toplam ağırlığının yalnızca yüzde 0,25’idir. Yani drone’a dairesel çerçeve eklemek, uçuş sırasındaki performansı veya stabiliteyi etkilemez.

Araştırmacılar, drone’nun yerleşik güneş modülünü kullanarak kendini yeniden şarj ettiği birden fazla Solar Hopper uçuş testi gerçekleştirdi.

Solar Hopper’ın iki dakikadan fazla uçabildiğini ve ardından iletişim kapalıyken güç tasarrufu durumunda yaklaşık 1,5 saat içinde tamamen şarj edilebildiğini buldular. Uçmaya hazır durumdayken tüm iletişim kanalları açıkken drone’un yeniden şarj olması 3,5 saat sürdü.

“Çalışmamızda herhangi bir performans düşüşü belirtisi olmadan altı uçuş-şarj-uçuş döngüsü gösterdik. Verimlilik açısından drone’nun kendisini optimize etmediğimizi belirtmekte fayda var. Amacımız, kullanıma hazır bir ürünün, yalnızca güneş pillerimizi entegre ederek, enerji açısından otonom bir drone’a nasıl dönüştürülebileceğini göstermekti” dedi Putz, ZME Science’a .

Uçuş süresindeki değişimi karşılaştırmak için araştırmacılar ayrıca güneş modülü olmadan güneş hunisini uçurdu. Güneş pilleri gemide olduğunda uçağın uçuş süresinin yaklaşık yüzde altı arttığını fark ettiler .

Solar Hopper uçuş testlerinden elde edilen sonuçlar, drone’ları güneş ışığını kullanarak uçurabileceğimizi gösteriyor. Ayrıca ultra hafif perovskit güneş pillerinin, güneş pillerinin yeni drone tasarımlarına nasıl entegre edilebileceği, uçuş sürelerini uzatabileceği, yük kapasitesini artırabileceği ve enerji açısından otonom hava araçlarının genel performansını nasıl artırabileceği konusunda yeni yollar açabileceğini öne sürüyor.

Üstelik bu teknoloji, çeşitli uygulamalarda mevcut çeşitli güç kaynaklarının yerini alma veya bunları artırma potansiyeline sahiptir. Örneğin, doğal afetler gibi acil durumlarda, acil durum barınaklarına, iletişim ekipmanlarına veya tıbbi cihazlara entegre edilen ultra ince güneş pilleri, geleneksel güç kaynaklarının kullanılamadığı veya kesintiye uğradığı durumlarda güvenilir bir elektrik kaynağı sağlayabilir.

Ancak araştırmacıların kullandığı gibi perovskit güneş pili modülleri hala birçok sınırlamayla birlikte geliyor ve geniş ölçekli kullanıma hazır değil.

Örneğin, mevcut güneş modülü tasarımı yalnızca küçük ölçekli drone’ları çalıştırabiliyor ve büyük hava araçları için kullanılamıyor. Hücre şarj işlemi zaman alıcıdır.

Putz ve meslektaşları, daha fazla araştırma yaparak güneş modüllerinin ölçeklenebilirliğini, performansını ve stabilitesini geliştirebilecekleri ve onu büyük ölçekli dronlar ve diğer uygulamalarda kullanılabilir hale getirebilecekleri konusunda umutlular. Başka bir yerde, Londra Queen Mary Üniversitesi’ndeki araştırmacılar, ortalama 3,5 dakika uçabilen ve yaklaşık 68 dakikada şarj olabilen, 70 gramlık bir uçak olan kendi güneş enerjisiyle çalışan quadcopter’i geliştirdiler.

Putz,  şunları söyledi : “Devam eden araştırma çabaları, ultra ince perovskit güneş pillerinin çevresel stabilitesini ve verimliliğini daha da artırmaya odaklanacak ve çeşitli uygulamalarda uzun vadeli kullanım için güvenilirliklerini garanti altına alacak.”

Çalışma Nature Energy dergisinde yayınlandı .