¿Podría un ornitóptero robótico tener toda la energía que necesita para poder volar con energía solar?

Voy a tratar de responder a una pregunta más específica que la que plantea su título, que es: ¿Podrían las células solares OPV suministrar suficiente energía para mantener un avión de alas batientes en Marte?

El único concepto de aleteo de Marte bien estudiado que conozco es el informe del Instituto Aeroespacial de Ohio sobre un entompoter sobre el que había preguntado en una pregunta anterior . Desafortunadamente, ese vehículo no es adecuado para la operación puramente solar porque requiere consumibles:

Aunque se obtiene una elevación neta positiva tanto de la CFD como de las soluciones analíticas, la fuerza no es suficiente para volar en la atmósfera inferior de Marte. Por lo tanto, la tecnología de control de flujo activo se utilizará para aumentar la sustentación y el empuje junto con la reducción de la resistencia del Entomopter... Soplar el ala de manera adecuada es fundamental no solo para la estabilidad y el control del Entomopter, sino también para la aplicación de Marte, su capacidad para volar.

Una de las partes inteligentes del concepto de entomóptero es usar los gases de escape de su "músculo" para lograr una sustentación adicional y (al soplar sus propias alas) para dirigir. Sin él, el vehículo no funcionará en la enrarecida atmósfera marciana: la nave necesita expulsar gas para funcionar. Y no se puede reponer el gas solo con energía solar.

(Supongo que uno podría imaginar un condensador de energía solar lo suficientemente ligero como para caber en la nave. Soy escéptico de que sea posible, ¡pero invito a alguien a hacer una pregunta de seguimiento para averiguarlo!)

Este estudio sugiere, entonces, que la respuesta a la pregunta es no: cualquier celda solar no podrá suministrar suficiente energía para un avión de alas batientes en Marte, porque los vehículos de alas batientes no pueden volar en Marte en absoluto sin algún tipo de propulsor desechable.

Esa respuesta no es muy satisfactoria. Juguemos con algunos números y veamos si podemos sacar algo más.

En su primera fuente , Kaltenbrunner et. Alabama. presentan sus resultados de probar una variedad de configuraciones de células solares fotovoltaicas orgánicas (OPV), que son dispositivos extremadamente delgados que están bajo investigación porque pueden hacerse flexibles y livianos.

De la sección de discusión del artículo:

Los dispositivos OPV construidos en PET presentados aquí tienen una masa por área de$4 gm^-2$, y 4% de eficiencia, dando$10 Wg^-1$.

Hasta donde puedo decir, esta figura representa el prototipo más exitoso de los autores. Es plausible que la eficiencia pueda mejorarse, pero comenzaremos con estos números.

la figura de$10W/g$(aproximadamente) parece haber sido calculado como:

donde$1050W/m^2$es una figura común para la radiación solar en la superficie de la Tierra. Para nuestros propósitos, necesitamos utilizar la radiación solar en la superficie marciana. Este informe sobre los entomópteros de Marte sugiere que se trata de$590W/m^2$de media.

Nuestros cálculos rápidos y sucios sugieren que (despreciando todos y cada uno de los efectos sobre los materiales de la OPV por las condiciones de la superficie marciana) los paneles en el estudio nos darían$5.9W/g$para jugar en Marte.

¿Es esto suficiente para volar?

El punto principal de diseño del estudio OAI en la página 49 requiere$883W$volar y parece tener$0.107m^2$de área alar por juego de alas (de los cuales tiene 2). Cubrir las alas con paneles OPV solo cuesta$0.856g$- ¡No es de extrañar que Nature Communications estuviera entusiasmado con esto! Si hacemos eso, nos compramos a nosotros mismos:

Tenga en cuenta que solo obtiene esto durante el día. Cuando se tiene en cuenta la potencia necesaria para evitar que la electrónica y los instrumentos se congelen (y el hecho de que se necesita almacenar energía para que no se congelen durante la noche), esto realmente no es mucho con lo que trabajar. Tal vez podrías hacer un vuelo corto de vez en cuando después de cargar las baterías, si descuidamos por completo el tema de la gasolina.

Desafortunadamente, este análisis (ciertamente inexistente) también sugiere que la respuesta es no, las células solares no pueden alimentar de manera plausible un vehículo de alas batientes en la atmósfera marciana.

Considere probar una gran nave de ala fija para el área de superficie mucho mayor.

Creo que encontré mi respuesta (al menos en parte) cuando encontré un estudio sobre aviones de estado sólido (SSA) , que es un ornitóptero no tradicional que utiliza un mecanismo de aleteo y vuela como un pájaro. El estudio de SSA sugiere que los paneles solares (que consisten en células solares fotovoltaicas orgánicas ) que se implantan en las alas del SSA necesitan baterías de litio ( en este caso , baterías de litio de película delgada ) para conservar y suministrar energía continuamente, pero la energía solar la energía es la única fuente de energía que utiliza la SSA. En el estudio había secciones separadas para los propósitos de Marte y, según el estudio, la SSA también debería poder volar allí.

Eso prueba que al menos este tipo de ornitóptero en realidad puede tener su energía para volar de la energía solar, pero hasta donde yo entendí, no considera llevar ninguna carga útil con él.