Come realizzare un drone alimentato dal Sole

Abbiamo già sentito parlare di quadricotteri “a energia solare”, in cui la loro batteria viene caricata da pannelli fotovoltaici a terra. In anni recenti, tuttavia, gli studenti di ingegneria di varie università del mondo hanno costruito un drone quadricottero che attinge la sua energia direttamente dalle celle solari di bordo, permettendogli di rimanere in volo finché il sole splende. Il primo drone solare è stato ispirato dall’amore per il volo e dall’impulso di fare qualcosa di diverso per l’industria aeronautica: dato che non esistevano elicotteri a energia solare, sembrava una grande sfida ingegneristica da affrontare.

Costruire il proprio primo drone quadricottero è quasi un rito di passaggio per chiunque sia oggigiorno interessato ai droni fai-da-te. La disponibilità di schede come Ardupilot rende molto più facile iniziare. Tuttavia, di recente si è alzato di molto il tiro della competizione. Infatti, nel 2013 sette studenti di Master della Queen Mary University – una università pubblica con sede a Londra – hanno costruito un quadricottero a energia solare, che hanno chiamato Solarcopter.

Sebbene vi siano stati numerosi velivoli ad energia solare, questo sembra essere il primo elicottero ad energia solare realizzato al mondo. Basato su un design unico del telaio, un velivolo del genere ha un enorme potenziale per la sorveglianza, la ricerca e il salvataggio e il dispiego a lungo termine in aree del mondo in cui il sole splende molto più di quanto non faccia a Londra. E certamente l’Italia è un Paese in cui il sole non manca: dunque, perché non farci un “pensierino” anche noi?

Il Solarcopter realizzato da studenti universitari londinesi.

I droni a batteria possono sostenere il volo per circa 30 minuti prima di dover ricaricare la batteria. Un drone a energia solare, d’altra parte, può potenzialmente volare verso destinazioni lontane e ricaricarsi durante il volo fino a quando c’è la luce del sole. Può anche funzionare autonomamente senza la necessità di trovarsi nel raggio di una base aerea. E naturalmente, come ogni drone, ha la capacità di atterrare su qualsiasi superficie piana e di volare in alto da terra in modo controllato.

Le caratteristiche dei primi quadricotteri solari

Il primissimo prototipo di Solarcopter è stato progettato per volare utilizzando esclusivamente l’energia generata da un pannello fotovoltaico, ma con l’assistenza di una batteria di riserva che è stata caricata dal pannello solare a bordo del velivolo. Questa batteria di riserva, in pratica, veniva utilizzata ogni volta che il pannello fotovoltaico non era in grado di fornire la potenza necessaria per mantenere il drone quadricottero in aria, come succede quando il tempo è nuvoloso.

Da allora, gli studenti sono stati in grado di migliorare ulteriormente il modello in modo che possa volare, decollare e librarsi senza la necessità della batteria di riserva. Con il progetto finale, il drone quadricottero può volare fino a quando il Sole splenderà, almeno in teoria, ed è stato testato sperimentalmente per un periodo considerevole di tempo, come hanno spiegato gli studenti. C’è ancora molto lavoro da fare per un drone solare commerciale, ma è stato dimostrato che “si può fare”.

Il Solarcopter londinese visto più da vicino.

Il processo di sviluppo del Solarcopter è stato lungo per gli studenti, poiché la maggior parte delle parti del rivoluzionario drone sono realizzate a mano, e gli studenti hanno persino progettato il proprio simulatore Sun per effettuare i test. Il team ha condotto test sperimentali approfonditi al fine di massimizzare il potenziale del drone e ha modellato molti aspetti diversi della progettazione utilizzando vari software di ingegneria per perfezionare ulteriormente la loro comprensione e il prototipo.

Gli sviluppatori del Solarcopter hanno poi continuato a cercare opportunità per ridurre il peso del drone realizzato attuale e aumentare la spinta. Hanno anche iniziato a lavorare per migliorare la stabilità e il controllo del velivolo. Infine, hanno cercato di lavorare sodo per perfezionare il design con la speranza di migliorare ulteriormente il prototipo, in modo da poter aggiungere telecamere, sistemi GPS e altri componenti utili che potrebbero aiutarlo nelle sue varie applicazioni.

Per la cronaca, anche studenti dell’Università Nazionale di Singapore (NUS) hanno realizzato nel 2018 – al culmine di un progetto iniziato nel 2012 e sviluppato da vari gruppi successivi di studenti – un quadricottero solare. Il loro drone è costruito principalmente in fibra di carbonio, portando così il peso a soli 2,6 kg. Non ha alcuna batteria di bordo o altro sistema di accumulo di energia, ma è invece dotato di una serie di 148 celle solari al silicio, che gli danno una superficie totale di circa 4 metri quadrati.

Il drone quadricottero solare sviluppato dagli studenti di Singapore.

Finora, il primo drone asiatico solare è stato pilotato dal telecomando fino a un’altitudine di oltre 10 metri. Dato che è dotato di un sistema GPS, volendo può anche volare autonomamente. Si spera che questo modello dimostratore possa alla fine possa portare a quadricotteri ad energia solare, che potrebbero anche fungere da “pannelli solari volanti”. Per alcune applicazioni, l’aggiunta di una batteria integrata consentirebbe all’aeromobile di continuare a volare di notte o in condizioni nuvolose.

Il quadricottero solare asiatico è dunque un velivolo estremamente leggero per le sue dimensioni e può volare fino a quando c’è la luce del sole, anche per ore. A differenza dei droni quadricottero convenzionali, esso non si affida alle batterie di bordo e quindi non è limitato dal tempo di volo. La sua capacità di atterrare su qualsiasi superficie piana e volare fuori dall’effetto suolo in modo controllato lo rende adatto anche per l’implementazione pratica. Insomma, è l’inizio di una rivoluzione.

I suoi realizzatori hanno affrontato molte sfide ingegneristiche. Tra queste, la ricerca di un numero ottimale di celle solari efficiente e sufficientemente leggero per alimentare il sistema di propulsione, che a sua volta deve essere leggero e allo stesso tempo in grado di produrre una spinta sufficiente per sollevare il aereo. Altre questioni affrontate sono state la messa a punto e la calibrazione dei controlli di volo per migliorare la stabilità del volo, nonché la progettazione di un telaio leggero ma sufficientemente rigido.

Il quadricottero asiatico visto da vicino.

Il team ha perfezionato i precedenti prototipi del drone quadricottero aumentando il numero di celle solari e regolando il materiale del telaio per renderlo più efficiente e leggero. Il primo prototipo nel 2012 era in grado di ricavare solo il 45 percento della potenza necessaria al volo dalle celle solari. Il team è stato in grado di sviluppare tre prototipi in totale nei due anni trascorsi nel progetto. Ora, per migliorare la durata del volo, cercano celle solari di migliore qualità e di ridurre le dimensioni del drone.

Quanto può essere grande un drone solare?

Ma se si guarda il video del drone realizzato dagli studenti dell’Università Nazionale di Singapore, noterai subito che il drone è sottile come un foglio. La vera domanda quindi è: quali dimensioni e massa potrebbe avere un simile veicolo e funzionare ancora completamente a energia solare? Vedremo ora come si può rispondere alla domanda e ottenere un calcolatore per quadricottero alimentato a energia solare. Ma prima, diamo un’occhiata alla fisica e alle idee che incidono su questa equazione.

La potenza è definita come il tasso di consumo di energia nel tempo (variazione dell’energia divisa per variazione nel tempo) ed è misurata in watt. Idealmente, vuoi che tutta l’energia dei pannelli solari sia dedicata al volo. Ciò significa che non è necessario che una batteria immagazzini temporaneamente energia, il che va bene, dal momento che essa aggiungerebbe massa, cioè peso. Ma quanta energia puoi ottenere da un pannello solare? Questo è il vero problema.

Il drone asiatico usa delle celle solari leggerissime.

La potenza erogata da un pannello solare dipende dai seguenti parametri:

  • Il sole, o meglio il potere del sole. La potenza per area dell’energia proveniente dal Sole che arriva sulla superficie della Terra è di circa 1000 watt per metro quadrato. Non puoi davvero cambiare questo valore se non cambi il Sole. Questo parametro è rappresentato da E.
  • La dimensione del pannello solare. I pannelli più grandi assorbono più potenza. Cominciamo con circa 0,04 metri quadrati. Qui il parametro è A, che sta per area.
  • L’efficienza del pannello solare. Solo perché ottieni 1000 W/mq colpendo il pannello solare non significa che tutto ciò vada in elettricità. Un’efficienza del 28 percento sembra plausibile, e anche un po’ ottimistica se non usi dei pannelli al silicio monocristallino. L’efficienza è indicata con e.
  • Angolo di orientazione. Se la luce del sole è perpendicolare al pannello solare, è meglio. Naturalmente il sole non è probabilmente direttamente sopra la testa. Che dire di un angolo di incidenza prudenziale, come ad esempio θ = 45 °?

Questo è tutto per l’energia solare. Con ciò, ottengo la potenza erogata come la seguente equazione:

La potenza necessaria per un quadricottero sospeso è un po’ più complicata da ricavare. Tuttavia, il seguente ragionamento funzionerà per qualsiasi veicolo volante che vola spingendo l’aria verso il basso. Cominciamo con la natura delle forze e del movimento. Se prendi un oggetto a riposo e ne aumenti la velocità, ciò richiede una forza. L’entità di questa forza di spinta dipende dalla massa dell’oggetto, dalla variazione di velocità e dal tempo durante il quale la velocità cambia.

Ora sostituisci questo oggetto con l’aria, perché è quello che usano questi veicoli volanti per volare. È possibile ottenere una maggiore forza di spinta utilizzando più massa d’aria, ovvero utilizzando un’area del rotore più grande. Puoi anche ottenere più spinta aumentando la velocità dell’aria. C’è un po’ di matematica in più qui, ma la saltiamo. Infatti, non ci interessa la forza di spinta, vogliamo sapere la potenza necessaria. Se aumenti la velocità dell’aria (con massa), ciò aumenta la sua energia cinetica. Più velocemente aumenti l’energia cinetica, più potenza ci vuole.

La spinta di un drone dipende fra vari fattori, fra cui l’area spazzata dalle eliche.

Ciò significa che potresti avere un velivolo sospeso in aria con piccoli rotori che spingono l’aria giù molto velocemente o con un grande rotore che spinge l’aria giù a una velocità più lenta. Ma la potenza non è la stessa per queste due opzioni. Dato che l’energia cinetica è proporzionale al quadrato della velocità, il rotore più piccolo con aria più veloce richiede MOLTA più potenza per librarsi. Questo è il motivo per cui un elicottero a propulsione umana deve essere così grande per portare la potenza ai livelli umani.

Ora nel calcolo entrano tutti i dettagli. Quanto è grande questo quadricottero? Quanto sono grandi i rotori? E le dimensioni dei pannelli solari? E se qualcuno inventa un pannello solare più efficiente? Invece di calcolare tutte le possibili variazioni, è meglio fare i calcoli con un foglio di calcolo elettronico tipo Excel. Esso può essere impostato come un programma che calcola la dimensione del rotore necessaria per permettere al velivolo di librarsi in volo dato un determinato set di parametri.

Se invece preferisci un codice per Python (il cui uso è gratuito, essendo un linguaggio di programmazione open source), puoi scaricarlo da qui. Sentiti libero di modificare i valori e rieseguire il calcolo. Puoi eseguirlo e naturalmente modificarlo a tuo piacimento. Il programma necessario per eseguire il codice e script Python qui fornito è un software free chiamato interprete, che puoi trovare e scaricare online.

Puoi scaricare il codice python per i calcoli sul drone solare da qui.

Il codice in questione attualmente assume le seguenti ipotesi di partenza: (1) Potenza fornita dai pannelli solari: 7,92 W; (2) Velocità di spinta dell’aria: 13,5 m/s; (3) Area del rotore: 0,011 mq; (4) Diametro del rotore: 0,059 m. Dunque si ottiene un diametro del rotore di quasi 5,9 centimetri. Sembra abbastanza ragionevole. E se aumentassi la massa? E le dimensioni dei pannelli solari? Puoi cambiare queste cose con solo poche modifiche al codice. Sei pronto per creare il tuo drone a energia solare!

Come costruire un mini-drone a energia solare

Ecco come realizzare, in pratica, un piccolo quadricottero a energia solare. Esso ricava la sua energia direttamente dal sole, quindi il piccolo pannello fotovoltaico di cui è equipaggiato (tipo questi che trovi qui) carica la batteria integrata e la carica anche durante il volo. In questo modo potete ottenere un tempo di volo molto lungo del normale, quindi superiore a 30 minuti. Vediamo come fare in pratica.

Il drone auto-costruito illustrato di seguito.

Puoi ricavare il controller di volo da un vecchio quadricottero, come ad es. il Cheerson CS-10. Ecco la lista completa dei componenti utilizzati in questo progetto:

  • Saldatore
  • Sostegno “terza mano”
  • Pistola a colla (o SuperAttack)
  • Controllore di volo Cheerson CX-10
  • Telecomando Cheerson
  • Batteria da 180 mAh (puoi trovarla qui)
  • Pannello solare 5 V 200 mAh
  • Strawbees (un giocattolo che può aiutarti a costruire oggetti con cannucce)
  • Caricabatterie agli ioni di litio
  • 4 motori a corrente continua
  • 4 eliche

Le cannucce sono materiali resistenti e molto leggeri, il componente perfetto per costruire un telaio per un drone leggero senza usare la stampa 3D. Dunque, con una pistola per colla il telaio è molto semplice da costruire. Usa due Strawbees per sostenere i motori e due cannucce per creare un alloggiamento per i motori. Ma vai al passaggio successivo e installa prima i motori.

Gli Strawbees usati per questo progetto.

Per prima cosa rimuovi il filo dall’estremità dei motori, quindi inseriscilo negli Strawwbees. Ora scalda il saldatore! Non hai davvero bisogno di uno schema e non dovresti nemmeno avere abilità di saldatura, perché sulla scheda del circuito ogni punto di giunzione del motore è contrassegnato il positivo con un “+” e il filo negativo con un “-“. Usali per saldare correttamente i tuoi fili al circuito.

A questo punto salda la batteria ai polimeri di litio al circuito principale, dopodiché salda in parallelo il circuito di ricarica della batteria. IN + e IN- del circuito di ricarica verranno saldati al pannello solare. Durante la saldatura di questa semplice elettronica è necessario realizzare anche il telaio. Usa una “super colla” tipo SuperAttack oppure la tua pistola per colla per fissare il telaio. A questo punto non ti resta che aspettare che la batteria sia carica (se non lo è già) e provare il tuo drone solare.

Un altro quadricottero solare realizzato da un dilettante.

Misurando poi con un tester la carica della batteria al termine del volo potrai capire se ha prodotto più energia di quella consumata. In pratica, dovrai misurare la tensione ai capi della batteria dopo averla disconnessa dal circuito e confrontarla con quella che aveva prima del lancio (che dunque dovrai ricordarti di misurare). Annota anche l’orario e lo stato del tempo (sole, nuvoloso). Fai vari test.