Для функционирования батарей необходима плотность энергии около 500 Вт·ч/кг, в то время как лучшие образцы на текущий момент достигают лишь приблизительно 400.
Ученые из Гарвардского и Мичиганского университетов создали концепцию самолета, работающего на солнечных батареях, который сможет длительное время находиться в воздухе на высоте около 18 км. В дневное время он будет извлекать энергию из солнечного света, а ночью использовать накопленный заряд. Эта технология могла бы круглосуточно следить за климатом, контролировать лесные пожары и собирать атмосферные данные. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Energy Letters.
Основная техническая задача — аккумуляторы. В дневное время самолет должен накопить достаточное количество энергии, чтобы оставаться в воздухе всю ночь. Для этого батареям необходима удельная энергоемкость около 500 Вт·ч/кг. Для сравнения, у современных аккумуляторов электромобилей этот показатель составляет примерно 250 Вт·ч/кг, а у лучших экспериментальных образцов — около 400 Вт·ч/кг.
Однако просто увеличить количество батарей не получится. Чем тяжелее аккумулятор, тем больше энергии требуется самолету для поддержания полета. Это создает замкнутый цикл: запас энергии увеличивается, но одновременно увеличивается и масса, которую необходимо поднимать.
Проект возглавил аспирант Гарварда Крейг Маскареньяс под руководством атмосферного физика Джима Андерсона. Последний вот уже около 30 лет исследует возможности солнечной авиации и участвует в проекте SACOS, направленном на создание системы климатического наблюдения из стратосферы.
Исследователи отмечают, что аккумуляторы необходимой емкости пока остаются дорогими, но технологии их производства развиваются с большой скоростью.
«Это замкнутая математическая зависимость: необходимо больше энергии на запас, но батареи становятся тяжелее, и самолеты требуют больше мощности, чтобы поднять эту массу в воздух», — пояснил Маскареньяс. По его словам, нужные батареи пока дороги, но их стоимость быстро снижается.
Чем больше энергии требуется самолету для хранения на ночь, тем больше аккумуляторов должно быть установлено на борту. Однако дополнительные батареи увеличивают массу устройства. Это приводит к необходимости создания большей подъемной силы крыльями, что требует еще больше энергии.
Похожие беспилотники уже применяются для мониторинга лесных пожаров. На основе моделей глубокого обучения и расчетов переноса излучения они помогают составлять карты распространения огня. Если самолет сможет месяцами следить за одним регионом с высоты около 18 км, это уменьшит потребность в пилотируемых вылетах, снизит затраты на мониторинг и необходимость в обслуживающем персонале.
