新しいウインドセンサ､スマート材料を使ってドローン性能を改善

August, 22, 2022, Columbus--オハイオ州立大学のエンジニアは､ドローン､バルーンおよび他の自律航空機で使うためのより効率的なウインドセンサを設計し､テストに成功した｡

これらウインドセンサ､風速計は､風の速度と方向をモニタするために使用される｡自律航空機需要の増加にともない､より優れたウインドセンサが必要になる｡これらの航空機が天候の変化を検知し､より安全な離陸と着陸を行うためである｡

研究の共著者､オハイオ州立大学機会･航空宇宙工学教授､Marcelo Dapinoによると､小包､あるいは乗客を運ぶドローンであろうと､いずれ無人飛行するドローンであろうと､そのような強化は､人々のローカル空域の利用法を改善することができる｡

｢効率的な方法でモノを動かしたり､輸送したりするためにわれわれが空域を利用できることは､途方もなく大きな社会的影響を持つ｡しかし､これらの飛行物体を操作するためには､有人であろうと無人であろうと､精密な風の計測が､リアルタイムで利用できるようでなければならない｣(Dapino)｡空中物体の長距離飛行に役立てることに加えて､正確な風計測は､エネルギー予測､ウインドタービンのパフォーマンス最適化にも重要である｡

研究成果は､Fontiers in Materialsに発表された｡

従来の風速計は､データの収集法で変化するが､その全てに限界がある､とLeon Headingsは指摘している｡風速計は､作製するのが高価になり､大量のエネルギーを消費し､高い空力抵抗がある｡つまり､その測定器は､航空機の空中の動きを妨害する｡小型航空機に不適切なタイプは多い｡しかし､オハイオ州立大学のチームの風速計は､従来タイプに比べて､軽量､低エネルギー消費､低抵抗､圧力変化に敏感である｡

論文の共著者､Leon Headings､オハイオ州立大学機械･航空工学シニア研究助手によると､その測定器は､スマー材料でできている｡これは､特性がコントロールできる物体であるので､環境を検知し､反応できる｡チームは､フッ化ポリビニリデン(PVDF)という電気ポリマを使った｡建築用コーティングやリチウムイオンバッテリで広範に使われているPVDFは､圧電性であり､それに圧力を加えると電気エネルギーを発する｡このエネルギーを使ってデバイスに動力を与える｡計測された電圧､フレキシブルPVDFフィルムのキャパシタンスを風のスピードに関連付けることができる｡

PVDFセンサを､航空機の翼に似た翼に組み込むことで､空力抵抗が低減する｡翼は､風向計のように自由に回るので､風の方向の計測にも使える｡

しかし､そのデバイスが地球環境にさらされたときに､いかにうまく機能するかをテストするために研究チームは2面的な実験を設計した｡まず､圧力センサを密閉室でテストして､その感度を判定した｡次に､そのセンサを翼に組込み､風洞でテストした｡結果は､そのセンサが圧力と風の速度の両方を極めて良好に計測することを示していた｡翼に組み込んだ小さな磁力計コンパスが､地球の磁場に対する翼の絶対的な方向を計測することで正確な風の方向を示す｡

とは言え､ウインドセンサコンセプトを制御された研究環境から商用プリケーションに移行させるために研究が必要である｡センサ技術を改善するために､チームがPVDFや他の先端材料に引き続き取り組んでいるので､チームの研究は､最終的に､航空機以外でも使える技術になるとDapinoは期待している｡
(詳細は､https://news.osu.edu/)