Fleksible solpaneler muliggør længere flyvninger for autonome droner

Et hold af forskere ledet af ingeniører fra Johannes Kepler Universitet Linz har introduceret et ultralet, effektivt solpaneldesign. De nye fleksible solpaneler åbner døren for en række næste generations anvendelser, herunder selvopladende droner og mere. Her er, hvad du behøver at vide.

Hvorfor droner har brug for autonome energisystemer

Menneskeheden fortsætter med at søge efter autonome energikilder til at drive forskning og udforskning. Der er mange scenarier, hvor disse systemer er den eneste mulighed. For eksempel demonstrerede Mars-helikopteren Ingenuity den kraft og de ekstra funktioner, som disse systemer tilbyder. Den selvforsynende solenergidrevne drone foretog flere ubemandede flyvninger på Mars og leverede en skattekiste af data til ingeniører og forskere.

Hvordan solenergi gjorde NASA’s Mars-helikopter mulig

Når du ser på Ingenuitys succes, er det nemt at se, at dronens autonome energisystemer var en kritisk komponent i missionen. Uden evnen til at genoplade efter længere brug, ville Mars-helikopteren kun have kunnet foretage én flyvning, hvilket knap nok ville retfærdiggøre omkostningerne.
Dog gjorde dronens evne til at genoplade sig selv det muligt at gennemføre flere missioner med stor succes. Specifikt brugte dronen et solpanel til at genoplade sine seks lithium‑ion‑batterier. Disse batterier leverede 90 sekunders flyvetid, når de var fuldt opladede.

Hvorfor solenergi er den eneste levedygtige energikilde for rumdroner

Der er flere grunde til, at kun solenergi vil fungere til rumrejsebehov. For det første er omkostningerne ved at transportere ting som brændstof, motorer eller andre komponenter for høje til, at det giver mening at udvikle et system, der kan håndtere disse behov.
Derudover ville ladestationer, kabler og andre krav have gjort helikopteren for tung til at flyve. På Mars kræves der meget mere løft for at generere flyvning, da planeten har andre atmosfæriske forhold. Derfor skal ingeniørerne sikre, at den er så let som muligt. Solpaneler var den indlysende løsning.

Hvad er perovskite-solceller, og hvorfor er de vigtige

Bemærkelsesværdigt er solpaneler blandt de mange vedvarende energimuligheder, der er tilgængelige for forskere, de mest tilgængelige og mest logiske. Nyere udviklinger har gjort solpaneler mere effektive og lettere. Brug af perovskite-solceller har været en game‑changer af mange grunde.
Perovskite-solceller giver ingeniører mulighed for at skabe ultratynde og fleksible solceller. Disse celler kan levere høj effektivitet fra et let design. Dette design gør perovskite-solceller til en af de mest anvendte, når man diskuterer at drive droner.

Udfordringer, der begrænser udbredelsen af perovskite-solceller

Der er flere problemer, der har hæmmet den videre udvikling og anvendelse af perovskite-solceller. For det første har de dårlig driftsstabilitet. Disse enheder er følsomme, og enhver pludselig bevægelse, kollision eller endda støv kan reducere deres effektivitet. Heldigvis har ingeniører skabt nogle unikke variationer, der kan håndtere mere specifikke anvendelsestilfælde som autonome droner.

Inde i teknologien: 2D perovskite-solceller

Perovskite-solceller integrerer en lagdelt krystalstruktur for at skabe et lettere, mere effektivt design. Disse enheder er den mest avancerede type solpanel, der findes i dag. De integrerer metal‑halid‑lag, der udnytter organisk rum til at maksimere lysomdannelsen. Bemærkelsesværdigt har 2D-perovskite en kemisk formel på RAn‑1BnX3n+1.

Fordele ved 2D perovskite-solpaneler til droner

Der er flere grunde til, at 2D-perovskite-celler fortsat er et topvalg for drone‑ingeniører. For det første giver de bedre termisk og fugtighedsstabilitet. De organiske rum indbygget i disse enheder er afgørende, da de fungerer som hydrofobe barrierer.
Derudover tilbyder perovskite-solceller forbedret fotoluminescens kvanteudbytte (PLQY) sammenlignet med den traditionelle version. Krystalstrukturen gør det muligt for disse enheder at levere mere stabil og ensartet strøm over hele enheden. Interessant nok findes der nu 3D-perovskite-solceller. Den største forskel er den præcise arrangement af krystallerne.

Studieoversigt: Letvægts fleksibelt solpanel gennembrud

Studiet “Flexible quasi-2D perovskite solar cells with high specific power and improved stability for energy-autonomous drones,”¹ offentliggjort i Nature, kaster lys over en ny type solcelle.

De gennemsigtige, ledningsevne‑oxid‑fri quasi‑to‑dimensionale perovskite-solceller leverer pålidelig og stabil energiproduktion fra et lille og let design. Det nye design kan hjælpe med at drive fremtidig rumforskning og mere.

Kilde – Nature Energy

Forskerne ved JKU delte deres design- og fremstillingsproces for de ultralette quasi‑2D perovskite-solceller. De startede med at sikre, at enheden var meget tynd og fleksibel.

Ingeniørerne tilsatte også alfa‑methylbenzylammoniumiodid direkte i det fotoaktive perovskite‑lag. Dette trin gjorde det lettere at påføre en ultratynd polymerfolie på kun 2,5 μm. Imponerende er, at dette er 20 gange mindre end et menneskehår. Derefter blev den belagt med et aluminiums‑barriere‑lag, hvilket yderligere optimerer solenergi‑genereringskapaciteten.

 Reeltest på autonome droneplatforme

Som en del af testprocessen modificerede holdet en standard quadcopter til at bruge deres solpaneler. Specifikt blev 24 sammenkoblede 1 cm² solceller fastgjort til enheden. Bemærkelsesværdigt var disse celler ultratynde og lette og vejede mindre end 1/400 af craftens samlede vægt.
Ingeniørerne udførte flere tests for at sikre, at deres enhed fungerede korrekt og kunne producere den energi, de forudsagde under præstations‑ og stabilitetsdemonstrationen. Enheden registrerede en champion‑specifik effekt på 44 W/g, med et gennemsnit kun lidt lavere på 41 W. Enheden kunne levere en åben‑kredsløbs‑spænding på 1,15 V. I alt opnåede den en effektivitet på 20,1 %, med et gennemsnit på 18,1 %.

Resultater af ydeevne: Effekt tæthed og effektivitet målinger

Resultaterne viste, at de ultralette perovskite-solceller tilbød en omkostningseffektiv løsning til autonome energihøstningsenheder. Enhedens bemærkelsesværdige ydeevne og effektoutput på 44 W per gram får den til at skille sig ud fra nutidens konkurrerende teknologier.
Derudover beviste testen, at disse strøm‑enheder kan gøre det muligt for droner at udføre længere flyvninger og udføre på hinanden følgende oplad‑flyv‑oplads‑cyklusser uden ledningsbaseret opladning. Disse faktorer indikerer, at denne tilgang i sidste ende vil gøre autonome enheder i stand til at operere globalt.

Hvorfor fleksible perovskite-solpaneler er en game‑changer

Flere fordele følger med det nye solpaneldesign. For det første leverer de ultralette og strøm‑effektive elektronik med evnen til at forsyne sig selv. I fremtiden vil dine elektroniske enheder måske ikke længere have brug for en stik eller omkostninger ved drift. I stedet kan de høste energi direkte ved hjælp af disse solceller.

Letvægt

Det letvægtige design af disse solceller gør dem ideelle til brug i autonome flyvninger eller andre små anvendelser. Disse celler er så små, at enheder stadig kan flyve uden at forstyrre deres funktion. Derfor vil de uden tvivl blive integreret i stigende grad fremover.

Tilpasningsdygtig

Disse solceller er meget tilpasningsdygtige for at imødekomme en række anvendelsesscenarier. De kan formes til specifikke mønstre eller tilpasses en lille overflade og levere tilstrækkelig energi til at udføre opgaver. I fremtiden vil ingeniørerne søge at skabe endnu mere fleksible designs.

Meget effektiv

Solpanel‑effektivitet har været en stor bekymring siden teknologiens tidlige dage. Nutidens solceller er ikke særlig effektive, da størstedelen af energien går tabt som varme og andre faktorer. Dette seneste design hjælper med at forbedre effektiviteten og giver ingeniører mere designfleksibilitet uden at gå på kompromis med ydeevnen.

Reelle anvendelsesområder for letvægts solpaneler

Der er et bredt udvalg af anvendelser, som disse nye paneler kan bruges til. For det første gør deres ultratynde design og effektoutput dem ideelle til en række små energiproduktionsbehov. Her er blot nogle få potentielle anvendelser for disse enheder.

Luft- og rumfartsindustrien

Luft- og rumfartsindustrien kan udnytte denne teknologi på forskellige måder. Fra at drive droner og fartøjer med ubegrænset rækkevidde til at muliggøre rumforskning på nye planeter. Allerede har luft- og rumfartsindustrien integreret tidligere iterationer af denne teknologi for at opnå bemærkelsesværdige milepæle. Nu er teknologien klar til at drive en ny generation af opdagelsesrejsende og forskere.

Bærbar elektronik

Bærbare enheder er en hurtigt voksende teknologisektor, der spænder over flere industrier. Disse enheder omfatter meget mere end din smartphone. Der findes medicinske enheder, der registrerer kritiske data for patienter, som kan få udvidet brug og levetid takket være denne teknologi. Derudover kan personlige sikkerhedsapparater køre længere og blive mere effektive.

Internet of Things

IoT er en enorm teknologisektor, der omfatter milliarder af smarte enheder. Disse enheder er i øjeblikket afhængige af batterier og strømkilder. I fremtiden vil de måske ikke længere have brug for disse komponenter, da solenergi kan hjælpe dem med at opnå de samme resultater med mindre indsats. Bemærkelsesværdigt er, at milliarder af smarte enheder falder ind under IoT‑kategorien. Derfor vil integration af selvforsyningskapaciteter være en game‑changer.

Søgning og redning

Et andet vigtigt fokusområde er brugen af disse systemer til at drive søge‑ og redningsdroner. Allerede nu betragtes brugen af bløde robotter, der kan tilpasse deres krop til at passe ind i trange rum som rør eller revner, som den bedste løsning for fremtidige katastrofe‑ og redningsindsatser. Tilføjelse af et selvforsyningssystem til disse enheder vil forbedre deres kapaciteter og muliggøre længerevarende operationer.

Kortlægning

Solenergidrevne droner ville være den ideelle løsning til storskala kortlægningsoperationer. Du kan tænke, at kortlægning er en gammel videnskab, men virkeligheden er helt anden. Hver dag ændrer Jorden sig, og specifikke grænser, ressourcer og andre vitale egenskaber ændrer sig. Derfor er kortlægning af disse ændringer en væsentlig del af at spore miljøet og andre vigtige udviklinger.
Trådløse, solenergidrevne kortlægningsdroner kan krydse enorme områder og levere opdaterede kortdetaljer uden menneskelig indgriben. At gøre disse enheder solenergidrevne vil hjælpe dem med at nå deres mål uden de ekstra forsinkelser, der er forbundet med at vende tilbage til ladestationerne.

Mød forskerne bag det banebrydende design

Forskere fra Johannes Kepler Universitet Linz ledede studiet af fleksible solpaneler. Artiklen nævner Bekele Haile Gnaw, Stepan Demchyshyn, Christoph Putz, Lukas E. Lehner, David Schiller, Roland Pruckner og Martin Kaltenbrunner som de vigtigste forfattere. Nu søger holdet at forbedre deres design, så det bliver mindre og mere effektivt.

Aktie‑spotlight: First Solar og fremtiden for solteknologi

First Solar

First Solar (FSLR ) gik ind på markedet i 1999 som First Solar Holdings. Målet var at levere højkvalitets‑ og effektive solpaneler til industrielle og virksomhedsniveau‑kunder. Derfor er deres primære marked at levere paneler til store solkraftværker. Virksomheden har hovedkontor i Tempe, Arizona.

Siden lanceringen har firmaet udvidet sine operationer og produktudbud til at omfatte en række solrelaterede muligheder. Bemærkelsesværdigt har firmaet banet vejen for ultratynd semikonduktorteknologi og har været afgørende for at fremme behovet for øget genbrug i solpanelsektoren. I dag betragtes det som en af de mest miljøvenlige muligheder inden for solpanelproduktion.

First Solar har oplevet et fald i aktiekursen det seneste år, delvist på grund af konflikterne i Ukraine og andre faktorer. På trods af prisfaldet forudser mange analytikere, at denne aktie vil se stigende efterspørgsel i fremtiden.

Virksomheden har i øjeblikket nye produkter under udvikling og driver produktionsfaciliteter i USA, Malaysia og Vietnam. De, der søger en pålidelig og anerkendt sol‑aktie, bør overveje at foretage yderligere research om FSLR.

Seneste om First Solar

Fremtiden for solenergi: Kabelfrie, selvforsynende enheder

Når man undersøger teknologien og potentialet i denne undersøgelse, bliver det tydeligt, at fremtiden sandsynligvis vil blive drevet af vedvarende energikilder, såsom solenergi. Efterhånden som disse paneler bliver mere overkommelige, mindre og mere effektive, vil de blive integreret i langt større omfang.

I fremtiden behøver du måske ikke at udskifte din elektronik; i stedet kan du blot placere dem ved vinduet i 10 minutter. Alt dette og mere er muligt takket være de innovative koncepter fremsat i studiet af fleksible solpaneler.

Lær mere om andre vedvarende energiuudviklinger her.

Studier refereret:

^{1. Hailegnaw, B., Demchyshyn, S., Putz, C. et al. Fleksible quasi‑2D perovskite‑solceller med høj specifik effekt og forbedret stabilitet for energiautonome droner. Nat Energy 9, 677–690 (2024). https://doi.org/10.1038/s41560-024-01500-2}