Statt schwerer AkkusLaserlicht soll Drohnen unbegrenzt fliegen lassen
Die Akkus von unbemannten Fluggeräten sind schnell leer, was ihre Einsatzzeit stark begrenzt. Ein alternatives Konzept zur Energieversorgung per Lichtstrahl soll dieses Problem lösen. Die Forschung daran nimmt Fahrt auf.
Drohnen werden immer häufiger von Feuerwehr und Rettungsdiensten eingesetzt – auch bei Waldbränden in Frankreich kommen die elektrischen Fluggeräte zum Einsatz. Drohnen können Einsatzkräften im Ernstfall schnell ein Bild der Lage vermitteln, Brandherde entdecken und Vermisste aufspüren. Doch sie haben den Nachteil, dass sie nicht lange in der Luft bleiben können. Forscher basteln deshalb an einer Lösung, die einen Dauereinsatz möglich machen soll: Energieübertragung durch Laser.
Elektrisch betriebene Quadrokopter und Mini-Flugzeuge haben meist einen Akku an Bord, der den nötigen Strom liefert. Allerdings ist die Energiedichte von Akkus, etwa im Vergleich zu fossilen Brennstoffen, gering, was die Einsatzzeit stark begrenzt. Zudem muss ein Teil der gespeicherten Energie genutzt werden, um das Gewicht des Akkus zu tragen. „Da Drohnen immer längere Einsätze absolvieren, ist die Akkulaufzeit zu einem der größten Hindernisse geworden“, sagt Jianhua Han von der Civil Aviation University of China.
Han hat mit seinem Team daher den Prototyp einer Drohne entwickelt, die per Laserstrahl mit Energie versorgt wird. Auf diese Weise sollen die kleinen, unbemannten Fluggeräte praktisch unbegrenzt in der Luft bleiben können. Jedenfalls, solange das Wetter eine freie Sicht zwischen Sender und Empfänger zulässt. „Stellen Sie sich eine Zukunft vor, in der Drohnen, die Wälder inspizieren, Katastrophen überwachen oder Pakete ausliefern und nicht mehr regelmäßig landen müssen, um ihre Akkus zu wechseln“, so Han.
Spezielle Zelle wandelt Laserlicht in Strom um
Die Forscher haben für ihren Prototyp einen Empfänger für Laserlicht unter einem Flügel montiert: Eine photovoltaische Zelle, die vom Prinzip einer Solarzelle ähnelt. Eine Schicht aus Perowskit, günstig herstellbares Material mit einer speziellen Kristallgitterstruktur, wandelt die Laserenergie in Strom um, der einen elektrischen Propeller antreibt.
Weil der Empfänger durch den Laser jedoch sehr heiß wird, besitzt er eine weitere thermoelektrische Schicht, welche die Wärme direkt in elektrische Energie umwandeln kann. Außerdem ist das Design so gewählt, dass die Zelle durch den Luftstrom im Flug gekühlt wird. Der Wirkungsgrad der Zelle soll mit fast 40 Prozent deshalb vergleichsweise hoch sein, so die Autoren. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal „Matter & Light“ veröffentlicht.
Bisher handelt es sich bei der Laserdrohne von Han und seinem Team nur um einen Laboraufbau, geflogen ist ihr Prototyp bisher nicht. Dass ein Langzeitflug mit Laserenergie grundsätzlich möglich ist, hatten andere Teams aber schon gezeigt: Bereits im Jahr 2010 gelang es einem Start-up aus München, mittels Laser einen Quadrokopter mehr als 12 Stunden in der Luft zu halten – allerdings auch nur unter Laborbedingungen.
Unternehmen meldet erfolgreichen Test für US-Militär
Im April dieses Jahres meldete das US-Unternehmen Powerlight Technologies, dass es mit einem Infrarot-Laser eine militärische Flügel-Drohne in einer Höhe von bis zu 1500 Metern mit Energie für deren Systeme versorgen konnte. Militärische Anwendungen sind ebenfalls ein naheliegendes Einsatzgebiet für die Laserdrohnentechnologie: Im Ukraine-Krieg spielen Drohnen unter anderem bei der Aufklärung und als lenkbare Bomben bereits eine entscheidende Rolle.
Han und sein Team wollen ihr Laserdrohnen-Konzept als Nächstes im Flug testen. Eine Herausforderung dabei sei, die sich bewegende Drohne mit Laserstrahlen präzise zu treffen, so die Autoren. „Unsere Arbeit zeigt, dass es möglich ist, Flugzeuge mit Licht zu betanken“, sagt Han. Zwar sei der Weg bis dahin noch weit, aber er und seine Kollegen hoffen, „dass dies einen Ausgangspunkt für die zukünftige Entwicklung darstellt“.
