Autonome vrachtdrone met intelligente batterijsystemen

Urban Air Mobility (UAM) opent niet alleen nieuwe mogelijkheden op het gebied van goederentransport: als een deel van het stedelijk verkeer de lucht in gaat, biedt dit ook compleet nieuwe benaderingen als het gaat om duurzame mobiliteitsoplossingen. In het Fraunhofer ALBACOPTER Lighthouse Project houden zes Fraunhofer instituten zich bezig met de technische en sociale aspecten van UAM.

Onder leiding van het Fraunhofer Institute for Transportation and Infrastructure Systems IVI hebben onderzoekers een vliegtuig ontwikkeld dat op een bijzonder efficiënte manier zweeft – geïnspireerd door de albatros. Dit toestel en andere hoogtepunten zijn te zien op de gezamenlijke Fraunhofer-stand (D11, in hal B1) op de IAA MOBILITY-beurs in München die 5 september start. Voor UAM gelden strenge eisen voor vliegtuig- en systeemtechnologie, waaronder veilige, stille VTOL-systemen (vertical take-off and landing) die ook zeer krachtige aandrijfprestaties kunnen leveren wanneer ze zweven.

De uitdagingen

Elektrische multicopters bieden de voordelen van VTOL-wendbaarheid terwijl ze ook voldoen aan veiligheids- en milieucriteria; hun bereik en laadvermogen zijn echter uiterst beperkt door hun lage efficiëntie en lage energieopslagdichtheid. Grotere vleugels zouden de energiebalans van de vaartuigen aanzienlijk kunnen verbeteren doordat ze langere tijd kunnen zweven. Aan de andere kant zouden deze vleugels het opstijgen en landen in stedelijke gebieden bemoeilijken. Om UAM financieel levensvatbaar te maken zijn bovendien VTOL-vliegtuigen nodig die autonoom vliegen; hiervoor zijn echter AI-gebaseerde besturingssystemen nodig, die verdere veiligheidsrisico’s met zich meebrengen.

Om deze reden kan worden aangenomen dat UAM in de toekomst via een breed scala aan paden tot stand zal komen en dat de betrokken ruimtevaarttechnologieën net zo gevarieerd zullen zijn als de gebruiksscenario’s in sectoren zoals logistieke drones, luchttaxi’s, reddings- en bewakingsdrones en landbouwtechniek.

Het project

Deze factoren hebben ertoe geleid dat in 2021 een Fraunhofer Lighthouse Project is gestart, met als doel een vliegend platform te bouwen dat de wendbaarheid van een multicopter kan combineren met de efficiëntie van een zweefvliegtuig. ‘Met de ALBACOPTER willen we een experimenteel vliegtuig ontwikkelen dat de wendbaarheid van een multicopter combineert met het vermogen van een albatros om lange afstanden te zweven met een minimaal gebruik van energie’, legt prof. Matthias Klingner, projectmanager en directeur van Fraunhofer IVI, uit. ‘Enkele kenmerken van dit experimentele VTOL-zweefvliegtuig zijn onder andere dronebehuizingen en vrachtcontainers gemaakt van duurzame materialen, krachtige coaxiale voortstuwingssystemen, krachtige multi-sensor systemen voor het waarnemen van de omgeving en het monitoren van functionaliteiten, en faalveilige elektronische systemen aan boord inclusief een AI-gebaseerde automatische piloot’, prof. Klingner. Het consortium heeft de complexiteit van dit drone-ontwerp aangepakt door de expertise van de deelnemende instituten te bundelen.

Recyclebaar ontwerp

Het Fraunhofer Institute for Structural Durability and System Reliability LBF ontwierp de structuur en aerodynamische componenten van de ALBACOPTER. Voor de structuur ontwikkelde het Fraunhofer Institute for Chemical Technology ICT gepultrudeerde profielen, d.w.z. gepultrudeerde vezelversterkte thermoplasten die werden geïntegreerd in de romparchitectuur van het ruimteframe. Net als de transportcontainers, die zijn gemaakt van biopolymeer hardschuim, kunnen deze systeemcomponenten eenvoudig worden gerecycled. “In tegenstelling tot de huidige eVTOL-systemen, die meestal zijn uitgerust met directe aandrijvingen, is het efficiënte aandrijvingsontwerp van de ALBACOPTER gebaseerd op snelle synchrone motoren met meertrapsoverbrenging en hoge vermogensdichtheid”, legt prof. Frank Henning, directeur van Fraunhofer ICT, uit. Het instituut levert niet alleen de nieuwe voortstuwingstechnologie, maar ook een speciale voortstuwingstestopstelling om het testen van eVTOL-voortstuwingssystemen in de vermogensklassen tot 450 kW onder realistische omstandigheden te vergemakkelijken. “Het ontwerp van het batterijopslagsysteem in ALBACOPTER is gebaseerd op cyclusvaste secundaire cellen die zeer omkeerbare laad- en ontlaadprocessen garanderen. We hebben gedetailleerd onderzoek gedaan naar de degradatie van de cellen en mogelijke storingsmechanismen in het geval van het soort luchtstromen dat optreedt tijdens vluchtfasen met bijzondere prestatievereisten”, legt prof. tobias Melz, directeur van Fraunhofer LBF, uit.

Autonoom

De ALBACOPTER is bedoeld als demonstratiemodel voor Fraunhofer-technologieën waarnaar de vraag in de snelgroeiende luchtvaart- en logistieke sectoren de komende vijf tot acht jaar naar verwachting zal toenemen. Hybride copter-zweefvliegtuigen in de vorm van vliegtuigen met variabele zwenkvleugels en multicopters met intrekbare vleugels en draaibare rotors worden momenteel een gevestigde waarde als middenweg tussen helikopters, multicopters en conventionele vliegtuigen met vaste vleugels. Als VTOL-zweefvliegtuig zal de ALBACOPTER beschikbaar zijn voor het testen van al deze verschillende VTOL-technologieën.