تکنولوژی خلاقانه باتری، انسان را به ساخت ماشین پرنده نزدیک‌تر می‌کند

مقدمه

جت پک‌ها، ربات‌های خدمت‌کار و ماشین‌های پرنده، همگی از مواردی هستند که  دانشمندان ساخت آن‌ها را در قرن ۲۱م وعده داده بودند. اما به جای عملی کردن این وعده‌ها،  موفق به ساخت جاروبرقی خودکار و مستقل شدند.  در حال حاضر، گروهی  از محققان  دانشگاه ایالت پن در حال بررسی نیازها و الزامات فنی برای ساخت وسایل نقلیه‌ای هستند که قابلیت نشست و برخاست عمودی  (eVTOL)از سطح زمین را دارد و همچنین مشغول طراحی و تست منابع انرژی برای باتری‌های این ماشین‌های پرنده هستند.

 ایده ساخت ماشین‌هایی با کارایی بالا در فراز آسمان

چائویانگ وانگ که دارای مهندسی مکانیک و  کرسی در ویلیام ای دیفندر و همچنین مدیر مرکز تحقیقاتی موتورهای الکتروشیمیایی در ایالت پن است، در مورد این ماشین‌های پرنده و باتری‌های آن‌ها این طور می‌گوید: «من فکر می‌کنم ماشین‌های پرنده پتانسیل کافی برای این‌که در زمان صرفه‌جویی کنند و کارایی و بهره‌وری را افزایش دهند، دارند. همچنین این ماشین‌های پرنده می‌توانند از آسمان به عنوان مسیر حمل و نقل خود استفاده کنند. ساخت وسایل نقلیه‌ای که قابلیت نشست و برخاست عمودی دارند، تکنولوژی چالش برانگیزی از باتری‌ها را می‌طلبد.»

گزارشی از مراحل ساخت نمونه اولیه باتری ماشین‌های پرنده

محققان دانشگاه ایالت پن تکنولوژی لازم برای باتری‌های ماشین‌های پرنده  و نمونه‌های اولیه این نوع باتری را در تاریخ ۷ ژوئن سال ۲۰۲۱ در  گزارش دادند.

ویژگی‌های خاص باتری‌های ماشین‌های پرنده

نیاز به چگالی انرژی بالا

وانگ در ادامه صحبت‌هایش درمورد تکنولوژی ساخت ماشین‌های پرنده ادامه داد: «باتری‌هایی که در ماشین‌های پرنده به کار می‌روند، نیاز به چگالی انرژی بسیار بالا دارند. طوری که شما بتوانید در هنگام استفاده از آن‌ها در هوا بمانید. همچنین آن‌ها نیاز به قدرت و توان بسیار بالایی در زمان نشستن و یا برخاستن دارند. بنابراین ماشین‌های پرنده تکنولوژی ساخت  بسیار بالایی برای قدرت و توان مورد نیاز در هنگام بالا و پایین رفتن به صورت عمودی را می‌طلبد.

انقلاب وسایل نقلیه خودکار راه را برای تحرک و پویایی در آسمان شهرها هموار می‌کند. اما مردم نباید ساده لوحانه فکر کنند که باتری‌های ماشین‌های پرنده برای پرواز الکتریکی کافی هستند.  شارژ سریع نیازمند افزایش ۳۰ برابری در انرژی توان عملیاتی و ۳ برابری در توان است و برای این که این امر محقق شود نیاز به ساخت نوعی جدیدی از باتری‌هاست،که قابلیت‌های متفاوت و جدیدی نسبت به نسخه‌های معمولی از باتری‌ها داشته باشند.

نیاز به شارژ مجدد سریع

 وانگ همچنین در مورد این باتری‌ها چنین می‌گوید:« باتری‌ها همچنین نیازدارند سریعا شارژ مجدد شوند، تا بازده و توانایی زیادی در ساعات پرواز و زمان نشست و برخاست داشته باشند.» او این موضوع را بیان می‌کند که ماشین‌های پرنده باید به طور مرتب به صورت عمودی برخیزند و یا فرود بیایند و بنابراین اغلب به شارژ مجدد در زمان بسیار کم نیاز دارند.

توانایی پرواز باسرعت بالا

وانگ همچنین بیان کرد: «از نظر تجاری، انتظار دارم ماشین‌های پرنده ۱۵ سفر و ۲ بار در روز فرود آمدن و برخاستن با عجله را به راحتی انجام دهند تا هزینه‌ای را که برای ساخت آن‌ها انجام شده است، توجیه کنند و نشان دهند مقرون به صرفه هستند.  احتمالا اولین استفاده از ماشین‌های پرنده از در مسافت حدود ۵۰ مایل و از شهری به فرودگاهی خواهد بود. قرار است دراولین استفاده ۳ یا ۴ نفر سرنشین در این ماشین‌های پرنده حضور داشته باشند. »

وزن کم باتری‌ها

میزان وزن باتری‌ها نیز بسیار مهم است. زیرا ماشین‌های پرنده باید بتوانند وزن باتری‌ها را درهنگام فرود آمدن و یابرخاستن تحمل کنند. بر طبق گفته‌های یانگ، ماشین‌های پرنده قادرند یک بار فرود آمدن و برخاستن از سطح زمین به صورت عمودی(eVTOL)  و یک مسیر کوتاه  را باسرعت ۱۰۰ مایل بر ساعت انجام دهند و در سفرهای طولانی  متوسط  سرعت این ماشین‌های پرنده ۲۰۰ مایل بر ساعت خواهد بود.

قابلیت شارژ سریع تا ۲۰۰۰ بار

محققان به صورت آزمایشی ۲ باتری لیتیوم – یونی با چگالی انرژی را تست کردند که شارژ مجدد با انرژی کافی برای رفتن در مسیر ۵۰ مایلی که درآن برخاستن و فرود آمدن به صورت عمودی انجام می‌شود، در حدود ۵ تا ۱۰ دقیقه زمان خواهد برد. این باتری‌ها قابلیت شارژ سریع تا ۲۰۰۰ بار را در طول عمر خود دارند.

 افزایش قابلیت باتری‌ها با گرم کردن آن‌ها

 وانگ و همکارانش از تکنولوژی استفاده کردند که در باتری‌های وسایل نقلیه الکتریکی کاربرد دارد. نکته مهمی در مورد این باتری‌ها وجود دارد و آن هم این است که گرم شدن باتری امکان شارژ سریع بدون تشکیل میخک‌های لیتیومی  را فراهم می‌آورد. این میخک‌ها به باتری آسیب می‌رسانند و بسیار خطرناک هستند. گرما دادن به باتری همچنین امکان تخلیه شارژ سریع انرژی که در باتری وجود دارد و امکان برخاستن و فرود آمدن از زمین را فراهم می‌کند.

محققان برای گرما دادن به باتری از فویل نیکل استفاده می‌کنند. زیرا فویل نیکل قادر است به سرعت دمای باتری را به ۱۴۰ درجه فارنهایت برساند.

ویژگی‌های در تضاد باتری‌های ماشین پرنده

وانگ همچنین افزود: «در شرایط معمولی ۳ ویژگی لازم برای باتری ماشین‌های پرنده با قابلیت نشست وبرخاست عمودی وجود دارند که متضاد یکدیگر هستند.  چگالی انرژی بالا، سرعت شارژ سریع را کاهش می‌دهد.  سرعت شارژ، تعداد چرخه شارژ مجدد قابل امکان را کاهش می‌دهد. با این وجود ما قادریم همه این سه ویژگی را در باتری واحدی بگنجانیم و تعادل نسبی را در آن برقرار کنیم.»

شارژ خالی باتری‌های ماشین‌های پرنده

یکی از ویژگی‌های کاملا منحصر به فرد ماشین‌های پرنده باتری‌هایی است که باید همیشه در حالت شارژ باقی بمانند. برخلاف باتری‌های تلفن همراه که در صورتی  عملکرد بهینه دارند که کاملا تخلیه شارژ شده و شارژ مجدد نیز در آن‌ها کامل انجام شود. باتری‌های ماشین‌های پرنده هر گز نباید به طور کامل  در هوا تخلیه شارژ شوند. زیرا برای نشستن به زمین به انرژی برق نیاز دارند. همیشه نیاز به حاشیه ایمن از میزان باتری در ماشین‌های پرنده وجود دارد. هنگامی که باتری خالی باشد، مقاومت داخلی در برابر شارژ کم است. اما هرچه شارژ باقی مانده مقدار بیشتری داشته باشد، شارژ کردن و دادن انرژی بیشتر به باتری سخت‌تر می‌شود. معمولا سرعت شارژ مجدد با باتری که شارژ آن پر شده است، کاهش می‌یابد. با این حال با گرما دادن به باتری می‌توان در محدوده زمانی بین ۵ تا ۱۰ دقیقه شارژ مجدد را انجام داد.

ماشین پرنده و ساخت باتری‌های آن ایده‌ای برای مردم

وانگ  در ادامه صحبت‌هایش در خصوص ماشین‌های پرنده افزود: «آرزو دارم کاری که ما انجام دادیم، بتواند ایده قابل اطمینانی به مردم بدهد که ما به ۲۰ سال برای تکمیل این ماشین‌های پرنده نیاز نداشته باشیم. ما نشان دادیم که وسایل نقلیه الکتریکی با قابلیت فرود آمدن وبرخاستن به صورت عمودی از سطح زمین کاملا از نظر تجاری مناسب رشد و ترقی است.»

حامیان مالی پرژه ماشین‌های پرنده

وزارت انرژی ایالات متحده، برنامه انتقال فناوری در کسب و کارهای کوچک نیروی هوایی ایالات متحده و بنیاد ویلیام ای دیفندرفر حامیان مالی پروژه ماشین‌های پرنده دانشمندان دانشگاه ایالت پن هستند.

سخن آخر

 ساخت ماشین‌های پرنده، جهش بزرگی برای علم بشر است و با توجه به ایده‌های اولیه امید است به زودی آرزوی  ساخت ماشین‌های پرنده الکتریکی محقق شود.

پیام بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *