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May 30, 2023

Neuer Windsensor nutzt intelligente Materialien, um die Leistung der Drohne zu verbessern

Ingenieure haben einen effizienteren Windsensor für den Einsatz in Drohnen, Ballons und anderen autonomen Flugzeugen entwickelt und erfolgreich getestet. Diese Windsensoren – sogenannte Anemometer – dienen der Überwachung

Ingenieure haben einen effizienteren Windsensor für den Einsatz in Drohnen, Ballons und anderen autonomen Flugzeugen entwickelt und erfolgreich getestet.

Diese Windsensoren – sogenannte Anemometer – dienen der Überwachung von Windgeschwindigkeit und -richtung. Da die Nachfrage nach autonomen Flugzeugen steigt, werden laut Forschern bessere Windsensoren benötigt, um es diesen Fahrzeugen zu erleichtern, Wetteränderungen zu erkennen und sicherere Starts und Landungen durchzuführen.

Solche Verbesserungen könnten die Art und Weise verbessern, wie Menschen ihren lokalen Luftraum nutzen, sei es durch Drohnen, die Pakete ausliefern, oder durch Passagiere, die eines Tages in unbemannten Flugzeugen fliegen, sagte Marcelo Dapino, Co-Autor der Studie und Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der Ohio State University .

„Unsere Fähigkeit, den Luftraum zu nutzen, um Dinge effizient zu bewegen oder zu transportieren, hat enorme gesellschaftliche Auswirkungen“, sagte Dapino. „Aber um diese Flugobjekte betreiben zu können, müssen präzise Windmessungen in Echtzeit verfügbar sein, unabhängig davon, ob das Fahrzeug bemannt oder unbemannt ist.“ Neben der Unterstützung von Luftobjekten bei der Überwindung großer Entfernungen seien genaue Windmessungen auch wichtig für Energieprognosen und die Optimierung der Leistung von Windkraftanlagen, sagte er.

Ihre Forschung wurde in der Zeitschrift Frontiers in Materials veröffentlicht.

Herkömmliche Anemometer unterscheiden sich in der Art und Weise, wie sie ihre Daten sammeln, aber alle haben Einschränkungen, sagte Dapino. Da die Herstellung von Anemometern teuer sein kann, sie viel Energie verbrauchen und einen hohen Luftwiderstand haben – was bedeutet, dass das Instrument der Bewegung des Flugzeugs durch die Luft entgegenwirkt – sind viele Typen für kleine Flugzeuge schlecht geeignet. Aber das Anemometer des Ohio State-Teams ist leicht, verbraucht wenig Energie, hat einen geringen Luftwiderstand und reagiert empfindlicher auf Druckänderungen als herkömmliche Typen.

Leon Headings, Co-Autor der Studie und leitender wissenschaftlicher Mitarbeiter im Bereich Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der Ohio State, sagte, das Instrument sei aus intelligenten Materialien hergestellt worden – Materie mit kontrollierbaren Eigenschaften, die es ihnen ermöglicht, ihre Umgebung wahrzunehmen und darauf zu reagieren. Das Team verwendete ein elektrisches Polymer namens Polyvinylidenfluorid (PVDF). PVDF wird häufig in Architekturbeschichtungen und Lithium-Ionen-Batterien verwendet und kann piezoelektrisch sein, was bedeutet, dass es elektrische Energie erzeugt, wenn Druck darauf ausgeübt wird. Diese Energie kann zur Stromversorgung des Geräts verwendet werden. Die gemessene Spannung oder Kapazitätsänderung eines Stücks flexibler PVDF-Folie kann mit der Windgeschwindigkeit korreliert werden.

Der PVDF-Sensor ist in ein Tragflächenprofil integriert, ähnlich einem Flugzeugflügel, wodurch der Luftwiderstand reduziert wird. Da sich das Flügelprofil wie eine Windfahne frei drehen kann, kann es zur Messung der Windrichtung verwendet werden.

Um jedoch zu testen, wie sich ihr Gerät schlagen würde, wenn es der Erdatmosphäre ausgesetzt würde, entwickelten die Forscher ein zweigleisiges Experiment. Zunächst wurde der Drucksensor in einer versiegelten Kammer getestet, um seine Empfindlichkeit zu bestimmen. Anschließend wurde der Sensor in ein Tragflächenprofil eingebaut und in einem Windkanal getestet. Die Ergebnisse zeigten, dass der Sensor sowohl den Druck als auch die Windgeschwindigkeit sehr gut misst. Ein kleiner digitaler Magnetometerkompass, der in das Tragflächenprofil integriert ist, liefert präzise Daten zur Windrichtung, indem er die absolute Ausrichtung des Tragflächenprofils relativ zum Erdmagnetfeld misst.

Es muss jedoch noch mehr Forschung betrieben werden, um das Windsensorkonzept von einer kontrollierten Forschungsumgebung in kommerzielle Anwendungen zu überführen. Während sein Team weiterhin mit PVDF und anderen fortschrittlichen Materialien arbeitet, um die Sensortechnologie zu verbessern, hofft Dapino, dass ihre Arbeit schließlich zu einer Technologie führen wird, die außerhalb von Flugzeugen eingesetzt werden kann, beispielsweise für Windturbinen, um saubere, effiziente und leicht verfügbare Energie für die zu liefern öffentlich.

„Das sind sehr fortschrittliche Materialien, die in vielen Anwendungen eingesetzt werden können“, sagte Dapino. „Wir möchten auf diesen Anwendungen aufbauen, um die Windenergieerzeugung kompakt ins Haus zu bringen.“

Das Projekt ist Teil des Smart Vehicle Concepts Center, einem kooperativen Forschungszentrum der National Science Foundation Industry University im Bundesstaat Ohio. Eiji Itakura von der Toyota Motors Corporation in Japan und Umesh Gandhi vom Toyota Research Institute of North America leiten das Team, das diese Forschung unterstützt hat. Der andere Co-Autor der Studie war Arun K. Ramanathan, ein frischgebackener Absolvent des Maschinenbauprogramms der Ohio State.