Фото: habr.com
Источник: Habr.com
Ко дню рождения великого российского ученого Дмитрия Менделеева публикуем материал о внедрении водородных технологий в топливные элементы для электрических двигателей. Символично, что речь идет о первом элементе периодической таблицы Менделеева и одном из ключевых кандидатов на роль источника энергии будущего для беспилотных систем.
Несмотря на широкий круг задач, которые уже сегодня способны решать беспилотники, их отраслевые возможности упираются в фундаментальные физические и технологические барьеры. Ключевой среди них — энергия. Любой источник энергии имеет пределы, и самые распространенные в отрасли литий-ионные аккумуляторы уже практически исчерпали потенциал роста удельной энергоемкости — показателя, который отражает, сколько энергии приходится на единицу массы. Проще говоря, сколько энергии источник может запасти при своем весе. Именно это ограничение напрямую влияет на время полета современных беспилотников на электродвигателях: они не могут часами находиться в воздухе, а значит, сужается и спектр задач, которые можно эффективно выполнять.
Чтобы преодолеть это ограничение, ученые и инженеры обратились к самому распространенному химическому элементу во Вселенной — водороду, первому элементу таблицы Менделеева. На его основе создали топливные элементы, использующие хорошо знакомую со школьного курса химии реакцию окисления водорода кислородом. В результате вырабатывается электричество, а побочными продуктами становятся тепло и вода. Принцип работы такого источника энергии достаточно прост. Водородный топливный элемент напрямую преобразует химическую энергию водорода в электрическую без процесса горения. В беспилотных летательных аппаратах эта энергия питает электродвигатели и бортовую электронику.
Принцип работы водородных топливных элементов дает им несколько важных преимуществ. Во-первых, это высокий коэффициент полезного действия по сравнению с тепловыми двигателями. Увеличивая объем запасенного водорода, можно многократно увеличивать продолжительность полета без резкого роста массы источника электричества, как это происходит в случае с аккумуляторами, например.
Даже с учетом веса баллонов, «обвязки» и самого топливного элемента суммарный энергетический запас системы оказывается выше, чем у литий-ионных батарей. Удельная мощность энергетических установок в настоящее время достигла примерно 1,8 кВт*ч на килограмм. Это позволило преодолеть технологический барьер, заложенный в дорожной карте НТИ «Аэронет», по показателям энергоемкости источников питания для беспилотных систем.
На практике это означает увеличение времени полета в 2–4 раза при сопоставимой взлетной массе аппарата. Так, если аккумуляторный мультикоптер с полезной нагрузкой 5 кг способен находиться в воздухе 30–40 минут, то его водородный аналог уверенно преодолевает двухчасовой и уже провел рекордный трехчасовой полет, о чем мы расскажем далее.
Во-вторых, если сравнивать водородный БПЛА и БПЛА с двигателями внутреннего сгорания, водородные системы работают практически бесшумно и имеют минимальный тепловой след, что делает их особенно востребованными для мониторинговых задач.
И наконец, в-третьих: эта технология обладает довольно высоким потенциалом масштабирования, что открывает возможности для ее применения в более широком классе беспилотных и робототехнических систем.
Свежие комментарии