الألواح الشمسية المرنة تفتح آفاقًا أطول للطائرات بدون طيار المستقلة

طوّر باحثون في جامعة يوهانس كبلر بلينتس خلايا شمسية من البيروفسكايت رقيقة وخفيفة جدًا يمكن أن تساعد في تشغيل طائرة مسيّرة صغيرة. وتعرض الدراسة المنشورة في Nature Energy عام 2024 دورات شحن بالطاقة الشمسية ورحلات قصيرة. وهي لا تثبت طيرانًا بلا حدود أو طائرة تجارية تستغني تمامًا عن الشحن.

لماذا يهم الوزن في الطائرات المسيّرة؟

تستهلك المحركات وأنظمة التحكم والمستشعرات الطاقة. وتضيف البطارية الأكبر طاقة مخزنة، لكنها تزيد الوزن أيضًا وقد تقلص المكسب في زمن الطيران. تستطيع الخلايا الشمسية إعادة شحن البطارية بين الرحلات، بشرط ألا تضيف وزنًا كبيرًا. واستخدمت مروحية إنجينويتي على المريخ الطاقة الشمسية لشحن بطارياتها، لكن الدراسة الحالية تجربة منفصلة على طائرة رباعية صغيرة على الأرض.

كيف صُنعت الخلايا؟

استخدم الباحثون بيروفسكايت شبه ثنائي الأبعاد وأضافوا يوديد ألفا-ميثيل بنزيل أمونيوم إلى الطبقة النشطة ضوئيًا. وصنعوا الخلايا على غشاء بوليمري يقل سمكه عن 2.5 ميكرومتر ومغطى بطبقة واقية من الألومينا. صُممت البنية، التي لا تحتوي على أكسيد موصل شفاف، للجمع بين الخفة والمرونة وتحسين الاستقرار. ومع ذلك، ما زال عمر خلايا البيروفسكايت في التشغيل الفعلي الطويل بحاجة إلى تقييم.

ما الذي قيس فعليًا؟

بلغت القدرة النوعية لأفضل خلية 44 واط لكل غرام، وكان المتوسط 41 واط لكل غرام. وبلغت أعلى كفاءة لتحويل الضوء إلى كهرباء 20.1%، مقابل متوسط 18.1%، فيما بلغ جهد الدائرة المفتوحة 1.15 فولت. تخص هذه القيم قياسات الخلايا، ولا تمثل قدرة محركات الطائرة المستمرة أو كفاءتها في كل الظروف الجوية.

جمع الفريق 24 خلية، مساحة كل واحدة منها سنتيمتر مربع واحد، في وحدة متصلة. وشكّل وزن الوحدة نحو جزء واحد من 400 من وزن الطائرة. وأظهر الباحثون رحلة قصيرة ودورات شحن شمسي ثم طيران ثم إعادة شحن. لم تُحلّق الطائرة بشكل متواصل ليلًا ونهارًا.

استخدامات ممكنة وحدود التجربة

قد تفيد القدرة العالية بالنسبة إلى الوزن في الطائرات الصغيرة والأجهزة المحمولة والمستشعرات. وتعتمد الفائدة العملية على ضوء الشمس والطقس واتجاه الألواح والبطارية والحمولة وعمر الخلايا. ولا تثبت هذه التجربة إمكان العمل بلا شحن في مهام إنقاذ طويلة أو على المريخ أو في جميع البيئات.

الخلاصة

حققت خلايا البيروفسكايت فائقة الخفة قدرة نوعية مرتفعة في المختبر، ومكّنت من إظهار دورات طيران قصيرة مدعومة بالشحن الشمسي لطائرة صغيرة. ويلزم اختبار الأداء والمتانة في ظروف فعلية متنوعة قبل توسيع الاستخدام.