TEIL C

Elektro- und SolarfluggerÄte

2024 (C)

Technologische Entwicklungen

Über die neuen technischen Entwicklungen bei den Elektro- und Solarfluggeräten hinaus, soll hier auch auf besonders interessante Neuerungen im allgemeinen Flugwesen hingewiesen werden, die in Zukunft auch nichtfossilen Geräten zugutekommen könnten.

Dazu gehört im Januar 2024 die Meldung, daß die militärische US-Forschungsbehörde Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) der Firma Aurora Flight Sciences Corp. den Auftrag zum Bau eines Experimentalflugzeugs X-65 (o. Aurora X-65 CRANE) in Originalgröße gegeben hat.

Laut Auftrag sollte die X-65 im Jahr 2025 fertiggestellt werden und ihren Jungfernflug absolvieren. CRANE bezieht sich auf das DARPA-Programm ,Control of Revolutionary Aircraft with Novel Effectors’, von dem sich die Behörde eine deutliche Leistungsverbesserung und insbesondere eine bessere Flugsteuerung bei taktischen Geschwindigkeiten von zukünftigen Militärmaschinen verspricht. Die Technik könnte aber auch in der zivilen Luftfahrt eingesetzt werden.

Die Firma selbst ist uns u.a. schon 2016 mit dem senkrecht startenden Flugzeug LightningStrike begegnet, bevor das Unternehmen 2017 von Boeing übernommen wurde.

Die Entwicklung der X-65 begann offiziell im November 2020, die ersten Windkanaltests erfolgten im Mai 2022. Im Dezember stellte die DARPA dann die finanziellen Mittel für das detaillierte technische Design bereit. Das Interessante an dem Testflugzeug ist die Flugsteuerung, die ohne bewegliche Teile wie Ruder und Klappen auskommt. Stattdessen besitzt das Flugzeug zahlreiche Druckluftstrahler, mit denen Druckluft über die Flügel und Heckflossen geleitet wird. Durch diese aktive Strömungskontrolle (Active Flow Control, AFC) wird die aerodynamische Strömung beeinflußt und das Flugzeug kann beliebig manövriert werden.

Die X-65 mit einer Spannweite von 9,14 m und einem Gesamtgewicht von 3.275 kg soll insgesamt 14 austauschbare AFC-Aktuatoren bekommen, die in den Tragflächen untergebracht sind. Darüber hinaus wird sie weitere 14 herkömmliche Steuerflächen erhalten, um unter anderem als Backup zu dienen. Sensoren überwachen die Leistung der AFC-Effektoren im Vergleich zu den herkömmlichen Steuermechanismen, wobei die positiven Effekte der AFC-Steuerungsmethode ein höherer maximaler Auftrieb bei geringerem Luftwiderstand sind. Die Spitzengeschwindigkeit der X-65 soll Mach 0,7 betragen.

Zu diesem Zeitpunkt ist geplant, den Bau früh im Jahr 2025 abzuschließen, damit der erste Testflug im Sommer erfolgen kann. Tatsächlich wird der Rumpf aber erst Anfang 2026 fertiggestellt und zur Systemintegration übergeben. Nun sind Bodentests für Ende des Jahres vorgesehen, und der Jungfernflug soll 2027 stattfinden.

Kontextbezogen ist auf ein weiteres Projekt von Aurora Flight Sciences hinzuweisen, das im Mai 2024 vorgestellt wird. Dabei handelt es sich um ein neues Konzept für eine aerodynamisch optimierte Konstruktion mit integriertem Triebwerk im Flügel (Fan-in-Blended-Wing-Body) für das DARPA-Programm ,Speed and Runway Independent Technologies’ (SPRINT), dessen Ziel die Entwicklung von Hochgeschwindigkeits-VTOL-Flugzeugen (High-Speed Vertical Takeoff and Landing. HSVTOL) für Einsätze der Spezialeinheiten ist.

Die DARPA hatte im November des Vorjahres die vier Unternehmen bekannt gegeben, die sich um den Auftrag für die Entwicklung, den Bau und den Test eines X-Plane-Demonstrators bewerben, der Hochgeschwindigkeitsflug, Schwebeflug und VTOL beherrscht. Zu dessen technischen Anforderungen gehören eine Höchstgeschwindigkeit von mindestens 740 km/h (andere Quellen: 800 km/h), eine Flughöhe bis 9.000 m und eine Nutzlastkapazität von rund 450 kg. Das System hat zudem eine Flugdauer von mindestens 90 Minuten bei einer Reichweite von mindestens 370 km zu erzielen. Der Antrieb und die Frage, ob der Demonstrator pilotiert, ferngesteuert oder autonom sein soll, sind noch nicht spezifiziert.

Das Unternehmen hatte vor kurzem die Konzeptionsprüfung für das HSVTOL abgeschlossen und wurde nun ausgewählt, die Entwicklung des Blended-Wing-Body-Designs (BWB) fortzusetzen, also einen Hybrid aus einem herkömmlichen Flugzeug mit Rumpf und Tragflächen und einem Nurflügler. Das Team geht davon aus, daß die vorläufige Entwurfsprüfung für das SPRINT-Programm in etwa zwölf Monaten abgeschlossen sein wird, mit dem Ziel des Erstflugs in drei Jahren.

Neben der Aurora Flight Sciences teilen sich Bell Textron, Northrop Grumman Aeronautic Systems und Piasecki Aircraft Corp. nun die 15 Mio. $ für die Entwicklung ihrer Konzepte in Phase 1A. Die Teams werden in den Folgemonaten in die engere Auswahl kommen, und ein endgültiger Gewinner wird ausgewählt, um das Ding zu bauen. Das Flugzeug soll 2027 erstmals in die Luft gehen und das Testprogramm dann 2028 abgeschlossen werden.

Die hier abgebildete Grafik zeigt die Skizze der Aurora Flight Sciences für die geplante Form des gemischten Flügelkörpers, bei dem ein durch einziehbare Abdeckungen geschütztes VTOL-System mit Ventilatoren in den Flügeln und im Rumpf integriert ist.

Die Bell Textron Inc. (o. Bell Aerospace), die auch an dem gemeinsamen Entwicklungsprojekt der DARPA arbeitet, verfolgt dabei aber einen anderen Ansatz, nämlich eine Kombination aus Propeller und Strahltriebwerk. Die Propeller sind kippbar, können also für senkrechtes Starten und Landen und auch den Horizontalflug genutzt werden. Für die geplante Geschwindigkeit von gut 830 km/h braucht es allerdings ein Strahltriebwerk, welches übernimmt, sobald das Flugzeug eine gewisse Geschwindigkeit erreicht hat. Die Propellerblätter werden dann eingeklappt.

Bell fing schon in den 1960er Jahren an, Kipprotoren zu entwickeln, das Experimentalflugzeug X-22 flog erstmals 1966, und seit 2005 ist der von Bell und Boeing produzierte V-22 Osprey im Einsatz, der in einer Vielzahl von Thrillern und SF-Filmen zu sehen ist. Da es sich hier aber ausnahmslos um konventionell mit Brennstoffen angetriebene Fluggeräte handelt, wird das Thema nicht weiter behandelt.

Erwähnenswert ist allerdings, daß Aurora im April 2023 die bereits zweite Generation der kleinen Drohne SKIRON Expeditionary vorstellt, die die Vorteile einer batteriebetriebenen Senkrechtstart- und -landekonfiguration mit der längeren Ausdauer eines Starrflüglers kombiniert. Die Version SKIRON-X mit einer Flugzeit von bis zu 3,5 Stunden hat ein Abfluggewicht von ca. 22,2 kg, während die ca. 24,5 kg schwere Version SKIRON-XLE mit einer Wasserstoff-Brennstoffzelle betrieben wird, die die Flugdauer auf über sieben Stunden verlängert, wie ein Flugtest im August bestätigt. Die maximale Nutzlastkapazität beträgt 2,3 kg.

Die Pläne von Northrop Grumman und Piasecki sind noch nicht genauer bekannt - außer, daß Northrop gemeinsam mit seiner Tochter Scaled Composites LLC und der Firma JetZero auch noch an einem anderen Projekt für ein supereffizientes Mischflügelflugzeug namens Z-5 arbeitet.

Ebenfalls im Mai 2024 meldet Sikorsky Innovations, die Abteilung für schnelle Prototypenentwicklung und fortgeschrittene Konzepte der Lockheed Martin-Tochter Sikorsky, daß in den letzten 18 Monaten Flugtests mit einem VTOL-Heckstarter durchgeführt wurden, welcher Teil eines X-Plane-Programms der DARPA zur Entwicklung eines unbemannten Luftfahrzeugs ist, das vertikal starten und landen kann, keine spezielle Infrastruktur an Land oder an Bord eines Schiffes benötigt und unter den meisten Wetterbedingungen fliegen kann.

Der ursprüngliche Auftrag für das Projekt war bereits 2013 an Sikorsky vergeben worden, trotzdem befindet es sich noch in einer früheren Entwicklungsphase. Das Konzept ist einer von sechs Entwürfen, die es bis zur Phase 1b des DARPA-Programms ,AdvaNced airCraft Infrastructure-Less Launch And RecoverY’ (ANCILLARY) geschafft haben, zusammen mit Northrop Grumman, AeroVironment, Griffon Aerospace, Karem Aircraft und Method Aeronautics.

Das Design eines ,Rotorflügels’ wurde ausgewählt, weil der konstante Luftstrom, der von der Propellerumströmung über den Flügel ausgeht, den Luftwiderstand im Schwebeflug und beim Übergang zum Vorwärtsflug verringert und so die Reiseflugeffizienz und die Ausdauer erhöht. Die Bauweise ähnelt dem unbemannten, brennstoffbetriebenen Tailsitter-Senkrechtstart- und -landeflugzeug Heliwing, das Boeing Anfang der 1990er Jahre im Auftrag des US-Militärs entwickelt hatte.

Damals stürzte der einzige Prototyp des Flugzeugs während des sechsten Testflugs im Sommer 1995 ab, als das Turboproptriebwerk beim Übergang vom Vorwärtsflug zurück in den Schwebeflug ausfiel. Zwar war geplant, einen zweiten Demonstrator zu bauen, doch dazu kam es nicht.

Der aktuelle VTOL-Heckstarter, ein 52 kg schweres Modell der Rotor Blown Wing (RBW)-Plattform mit einer Flügelspannweite von 3,14 m, das Sikorsky im März 2025 erstmals öffentlich  zeigt, ruht auf vier Füßen, wenn er nicht in der Luft ist, wobei die Nase und die Zwillingspropeller in den Himmel zeigen. Von dieser Position aus startet er und geht dann in den horizontalen Vorwärtsflug über, um seine Missionen durchzuführen. Bei der Rückkehr zur Basis verläßt er den Horizontalflug und landet vertikal wie ein Hubschrauber.

Der batteriebetriebene Proof-of-Concept-Prototyp, der sich derzeit in der Flugerprobung befindet, ist mit dem autonomen Flugsteuerungssystem MATRIX des Unternehmens ausgestattet, um autonomes Fliegen in hindernisreichen Umgebungen zu ermöglichen. Bereits im Januar dieses Jahres hatte das Modell, das später als Prototyp Nomad 50 bezeichnet wird, erfolgreich mehr als 40 Starts und Landungen absolviert, bei denen das Flugzeug auch 30 Übergänge vom vertikalen in den horizontalen Flug durchführte und eine Höchstgeschwindigkeit von 160 km/h erreichte.

Falls das Programm für die weitere Entwicklung ausgewählt wird, will Sikorsky einen rund 150 kg schweren hybrid-elektrischen Prototypen bauen, der eine ca. 30 kg schwere Nutzlast tragen kann, wie Nachrichten-, Überwachungs- und Aufklärungssensoren. Darüber hinaus baut Sikorsky ein 900 - 1.350 kg schweres Flugzeug für einen ungenannten Kunden. Das Konzept kann zudem auf 4.500 - 9.000 kg skaliert werden.

Im Oktober 2025 gibt es neue Informationen über die RBW-Systeme, die nun als Nomad-Familie bezeichnet werden und in der Lage sind, große Nutzlasten über einen langen Zeitraum autonom zu transportieren. Die Fluggeräte sind demnach so konzipiert, daß sie von UAS der Gruppe 3 (25 - 600 kg) bis zu UAS der Gruppe 4/5 ( > 600 kg) skalierbar sind. Die kleineren Varianten werden von einem Hybrid-Elektroantrieb angetrieben, während größere Typen ein konventionelles Triebwerk besitzen. Sikorsky baut derzeit das Flugzeug Nomad 100 mit einer Spannweite von 5,5 m, dessen Erstflug in den kommenden Monaten folgen soll.

Im Juni 2024 stellt die DARPA zudem ein Flugzeug vor, das im Rahmen des Programms ,Series Hybrid Electric Propulsion AiRcraft Demonstration’ (SHEPARD) von einem Konsortium unter der Leitung von Northrop Grumman entwickelt wurde und wie ein B-21-Bomber im Miniaturformat aussieht.

Die offiziell (auch) als X-Plane bezeichnete XRQ-73 (o. XRQ-73 SHEPARD) ist ein unbemanntes Flugzeug mit Hybrid-Elektroantrieb, das sowohl für eine lange Lebensdauer als auch für ein hohes Maß an Tarnkappe ausgelegt ist.

Das Fluggerät ist eine weiterentwickelte Version der Spionagedrohne Great Horned Owl (GHO), an der ab 2011 gearbeitet wird, allerdings in größerem Maßstab und mit einem getarnten Profil. Während die GHO etwa 180 kg wog, wird die XRQ-73 als Drohne der Gruppe 3 bis zu 567 kg wiegen und eine Höchstgeschwindigkeit von 463 km/h erreichen. Ein weiterer Unterschied ist, daß das Design des neuen Nurflüglers stromlinienförmiger ist und sich die Elektromotoren im Rumpf befinden, anstatt auf vier Pods, die auf dem hinteren Teil des Flugzeugs montiert sind.

Die hybridelektrische Langstrecken-Drohne sollte noch vor Jahresende ihren Erstflug absolvieren, was dann jedoch erst Mitte April 2026 auf der Edwards Air Force Base geschieht.

Ebenfalls im Januar 2024 stellt ein Team, dem Forscher der spanischen Universidad Autónoma de Madrid (UAM) sowie den ecuadorianischen Hochschulen Escuela Superior Politécnica de Chimborazo (ESPOCH) und Universidad Técnica de Ambato angehören, ein neues Optimierungsverfahren vor, mit dem die relevanten Parameter ermittelt werden können, um PV-Zellen und Batterien in unbemannte Luftfahrzeuge zu integrieren. Der Artikel ,Optimization of the solar energy storage capacity for a monitoring UAV’ ist im Netz einsehbar.

Die Optimierung des Speichersystems wird auf der Grundlage einer Zielfunktion durchgeführt, bei der durch die Integration eines photovoltaischen Solarenergie-Backup-Systems die Batteriekapazität minimiert wird, um die Flugautonomie zu erhöhen, da diese in direktem Zusammenhang mit dem Gewicht des Flugzeugs steht.

Die Umsetzung beschränkt sich bislang auf ein 3,5 kg schweres und knapp 1 m langes Überwachungsflugzeug mit einer Spannweite von ca. 3,4 m. Auf dessen Flügeln sind 48 monokristalline PV-Zellen angebracht, die fast 180 W liefern, während sechs Lithium-Ionen-Batterien mit einer Kapazität von jeweils 2.200 mAh integriert sind. Damit konnte die Autonomiekapazität des Systems um das Vierfache erhöht werden.

Im Februar 2024 zeigt ein Forschungsteam der Oregon State University (OSU) um die Professorin Julie A. Adams, wie eine einzelne Person Schwärme von autonomen Luftdrohnen oder Bodenrobotern steuern kann, die beispielsweise zur Brandbekämpfung in freier Natur oder zur Katastrophenhilfe in eng bebauten städtischen Gebieten eingesetzt werden. Die tatsächliche Motivation erklärt sich jedoch schnell, wenn man erfährt, daß die Tests im Zuge mehrtägiger Feldübungen in mehreren kombinierten bewaffneten kollektiven Ausbildungseinrichtungen des Verteidigungsministeriums stattfanden.

Im Laufe ihres vierjährigen Projekts, das im Rahmen des Programms ,Offensive Swarm-Enabled Tactics’ (OFFSET) der DARPA lief, setzten die Forscher Schwärme von bis zu 250 autonomen Fahrzeugen ein - Multirotordrohnen und Bodenrover - die in der Lage sind, Informationen in städtischen Umgebungen zu sammeln, in denen die satellitengestützte Kommunikation durch Gebäude beeinträchtigt wird.

Die Umsetzung erforderte nicht nur die Entwicklung der benötigten Systeme und der Software, sondern auch der Benutzeroberfläche für den Schwarmführer, damit ein einzelner Mensch die Boden- und Luftsysteme einsetzen kann. In Zusammenarbeit mit der Firma Smart Information Flow Technologies wurde eine Virtual-Reality-Schnittstelle namens I3 entwickelt, über die der Führer den Schwarm mit Anweisungen steuern kann.

Im September 2024 erscheint ein zweiteiliges Video, in welchem der Betreiber des Videokanals Project Air in Großbritannien über seine Experimente mit einem kleinen Solarflieger berichtet.

James Whomsley, der bereits diverse Modellflugzeuge entworfen und gebaut hat, und diese auch verkauft, hatte sich die Frage gestellt, ob Solarzellen und ein bescheidenes Batteriespeichersystem ausreichen würden, um einen Motor in Gang und damit eine Starrflügler-Drohne mehrere Stunden oder sogar Tage in der Luft zu halten.

Nach vielen mehr oder minder erfolgreichen Experimenten erweist sich, daß es geht - aber nur, wenn effiziente Solarzellen mit einem Wirkungsgrad von mindestens 20 % verwendet werden.

Im April 2026 berichtet Whomsley übrigens über den Bau des weltweit größten Gummiband-Flugzeugs, mit dem er versuchen will, den offiziellen Guinness-Weltrekord zu brechen. Der bisherige Rekord wird von seinem Freund Joshua Finn gehalten, mit einem fast vollständig aus Balsaholz gefertigten riesigen Flieger namens Wandering Eagle, der eine Spannweite von mehr als 5,5 m hat und länger als zwei Minuten fliegt.

Im Zusammenhang mit dem Thema Schwarm soll auch auf die Arbeit von Wissenschaftlern des Helmholtz-Instituts Freiberg für Ressourcentechnologie (HIF) und des Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) in Görlitz hingewiesen werden, die sich ebenfalls mit der Steuerung von Drohnenschwärmen befaßt und über die im November 2024 berichtet wird. Die Experten um Prof. Thomas D. Kühne haben einen konzeptionellen Rahmen entwickelt, der die autonome Zusammenarbeit von Drohnen in hierarchischen Gruppen optimiert und ihnen ermöglicht, insbesondere unregelmäßig strukturierte Umgebungen autonom und effektiv zu erkunden.

Durch die Kooperation mehrerer Drohnen in hierarchisch organisierten Gruppen lassen sich die Beschränkungen einzelner UAVs überwinden und verteilte Aufgaben parallel erledigen. Das neue Konzept basiert auf dem Leader-Follower-Prinzip, bei dem eine führende Drohne die Aufgaben an die übrigen Drohnen verteilt. Sowohl virtuelle als auch reale Tests mit UAV-Schwärmen bestätigen die Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit des Ansatzes, speziell hinsichtlich des Energieverbrauchs bei der Erkundung großer Gebiete.

Der im Oktober veröffentlichte Bericht trägt den Titel ,Intelligent Swarm: Concept, Design and Validation of Self-Organized UAVs Based on Leader–Followers Paradigm for Autonomous Mission Planning’ und ist im Netz einsehbar.

Im März 2024 publizieren Wissenschaftler der University of Tokyo (UTokyo) die ebenfalls im Netz einsehbare Studie ,Design and Control of Delta: Deformable Multilinked Multirotor with Rolling Locomotion Ability in Terrestrial Domain’, in welcher sie über die Entwicklung eines Multikopters mit drei Rotoren berichten, der seine Form wandeln und sowohl fliegen als auch auf dem Boden rollen kann. Dafür nutzt das von dem Robotik-Masterstudenten Kazuki Sugihara und seinen Kollegen entwickelte Gerät nur ein einzelnes Antriebssystem.

Die formverändernde Drohne namens Delta besteht aus drei gebogenen, miteinander verbundenen Segmenten, die zusammen einen ringförmigen Körper bilden. Jedes Segment besitzt ein eigenes Motor-Propeller-Modul, das sich um eine Stange drehen läßt, die sich über die gesamte Breite des Segments erstreckt. Das Modul ist dadurch in der Lage, zur Nabe des Rings, zum Rand des Rings oder zu einer der beiden Seiten hin zu zeigen.

Im Normalzustand zeigen alle Rotoren nach unten, um einen Schwebeflug zu ermöglichen. Bei Bedarf löst die  4,1 kg schwere Drohne die Verbindung eines Segments, um die Ringform von 40 cm im Durchmesser zu öffnen und eine kettenähnliche Form anzunehmen. Dadurch wird sie schmaler und kann durch engere Lücken manövrieren.

Das Fliegen ist zwar die schnellste Art, unwegsames Gelände zu durchqueren, aber der Multikopter benötigt dabei viel Batteriestrom, um sein Gewicht in der Luft zu halten. Es gibt jedoch eine weniger energieintensive Form der Fortbewegung: das Rollen. Dazu nimmt die Drohne die Form eines Rades an und landet auf der Außenseite, so daß sie senkrecht zum Boden steht. Die Propeller werden nun abwechselnd von einem Mikroprozessor so angesteuert, daß sie durch ihren Schub eine rollende Vorwärtsbewegung erzeugen.

Als Einsatzgebiete der Delta-Drohne gelten etwa Aufklärungs- und Explorationsflüge bei Rettungseinsätzen, weshalb die Forscher sie nun mit noch mehr Sensoren und zusätzlich mehreren Kameras ausstatten wollen, um das Gelände erfassen zu können. Sie soll dann auch so angepaßt werden, daß sie sich selbst im unwegsamen Gelände rollend fortbewegen kann.  Eine Kombination aus Sensorik und Steuerungselektronik achtet darauf, daß der Multikopter dabei nicht umkippt.

Eine weitere Drohne, die flexible Arme nutzt, um sich durch enge Lücken zu zwängen, wird im Juni 2024 von Kostas Alexis, Morten Christian Nissov und Paolo de Petris von der Norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie (NTNU) vorgestellt.

Früher entwickelte experimentelle Drohnen haben einen anderen, mechanisch komplexeren Ansatz gewählt, um durch Lücken zu gelangen, indem sie ihre Propellerarme wegdrehen oder sie nach innen klappen, um sich schmaler zu machen, wie z.B. die Klappdrohne der École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), die in der Jahresübersicht 2017 präsentiert wurde, oder der Flugroboter Quad-Morphing der Université d’Aix-Marseille in Frankreich, sowie die Faltdrohne der Purdue University, die beide in der Übersicht 2018 gezeigt wurden.

Anders jedoch die Mighty Morphin’ Power Drone (o. Morphy), die als funktionsfähiger Prototyp vorliegt und auf den ersten Blick aussieht wie jeder andere kompakte Quadrokopter, der mit umlaufenden Propellerschutzvorrichtungen ausgestattet ist. Tatsächlich ist jedoch jeder der Propellerarme über ein 3D-gedrucktes Elastomergelenk mit dem Hauptkörper der Drohne verbunden. In jedem dieser Gelenke befindet sich ein 3D-Hall-Effekt-Sensor.

Kommt einer der Propeller mit einer unnachgiebigen Oberfläche in Berührung, sorgt das Gelenk im Propellerarm dafür, daß er sich zurückbiegt, anstatt zu brechen. Der Sensor in diesem Arm mißt die Richtung und das Ausmaß der Biegung und leitet diese Daten an den Mikroprozessor des Morphy weiter. Dieser reagiert, indem er den Schub aller vier Propeller anpaßt, um die Verformung auszugleichen und das Fluggerät stabil und in der Luft zu halten.

Dank dieser Funktion kann sich der Kopter sowohl durch horizontale als auch vertikale Lücken zwängen, die schmaler sind als sein eigener Körper. Als zusätzlichen Bonus kann die Drohne auch den Aufprall auf Wände oder andere Hindernisse mit einer Vorwärtsgeschwindigkeit von bis zu 3 m/s aushalten. In ihrer jetzigen Form wiegt die Drohne 260 g, ist 252 mm breit und kann mit einer Batterieladung über 12 Minuten und 30 Sekunden fliegen. Neben den Hall-Effekt-Sensoren ist sie auch mit optischen Kameras und Kameras zur Erfassung der Flugzeit ausgestattet.

Im März 2024 erscheint das im Vorjahr von Justin Call und Arion L. Mangio gegründete Start-Up Modovolo Inc. mit Hauptsitz in Utica, New York, mit einer Drohne in der Öffentlichkeit, die mit verschiedenen technischen Eigenschaften wie etwa hoher Motordrehzahl bei langsam laufenden großen Rotorblättern, einem geringen Gewicht und ihrem modularen Design die Flugzeit nach oben schraubt.

Das Konzept der Modovolo Lift ist relativ simpel: An einem filigranen Grundkörper können die Rotorgehäuse beliebig angeordnet werden. So sind je nach Einsatzzweck verschiedene Konfigurationen etwa als Quadro-, Hexa- oder Octokopter möglich.

Die Rotorgehäuse, in denen die Motoren mittig aufgehängt sind, ähneln im Aufbau einer Fahrradfelge. Die Konstruktion ist mit etwas mehr als 1,1 kg extrem leicht und trotzdem sehr stabil. So liegt das Fluggewicht inklusive Batterien bei einer Quadrokopter-Konfiguration bei knapp 3,5 kg. Ein weiterer Vorteil der Rotorgehäusekonstruktion: Sie wirkt im Zusammenspiel mit den hochdrehenden Motoren bei zugleich niedriger Drehzahl großer Rotoren wie ein kanalisierender Ventilator, ähnlich einem Düsentriebwerk, wodurch eine hohe Effizienz erzielt wird.

Tests der Modovolo Lift zeigen, daß das Konzept offenbar aufgeht: Mit einer einzigen Akkuladung sind Flugzeiten von bis zu zwei Stunden am Stück möglich.

Da die Drohne ausschließlich für den professionellen Einsatz gedacht ist, hat die Firma auch einen universell einsetzbaren Utility Pod entwickelt, der beliebige Nutzlasten aufnehmen kann, um die Modovolo Lift für möglichst viele Anwendungsfälle einsetzbar zu machen. Ihr Preis soll bei etwa 6.000 $ liegen, sobald sie auf den Markt gebracht wird.

Vom Aufbau her erinnert die Modovolo Lift ein wenig an andere modulare Drohnen, wie die Airblock von 2016, den modularen Flugroboter DRAGON von 2018 oder die Dash Drone von 2019.

Ebenfalls im März 2024 veröffentlichen Forscher der Queen Mary University of London (QMUL) die im Netz einsehbare Studie ,Development of a solar powered multirotor micro aerial vehicle’, in welcher sie den Prototyp eines Multirotor-Mikrofluggeräts beschreiben, das direkt mit photovoltaischer Energie betrieben wird. Nach Angaben seiner Schöpfer ist es der kleinste solaraufladbare Multirotor, der bisher entwickelt wurde.

Der Mikro-Solarkopter hat eine Grundfläche von 15 x 15 cm (ohne Rotoren), eine Höhe von 2 cm und ein Gewicht von nur 71 g. Er nutzt Solarzellen von Sunpower und eine Lithium-Polymer-Batterie mit 0,3 Ah, da die nutzbare Fläche des Quadrokopters zu klein ist, um einen rein solarbetriebenen Flug ohne Energiespeicher zu gewährleisten. Der Prototyp enthält außerdem eine 32-Bit-Flugsteuerung und eine First-Person-View-Kamera (FPV).

Im Bild sind neben dem Micro Solarcopter zum Vergleich zwei der kleinsten kommerziell erhältlichen Quadrokopter zu sehen: die 4 x 4 cm große M:Tech Micro und den 3 x 3 cm messenden Skeye Nano, die es beide seit 2014 gibt.

In einer Reihe von Tests finden die Forscher heraus, daß ihr Fluggerät in einer Höhe von 15 m durchschnittlich 3,5 Minuten lang fliegen kann, bevor sich die Batterie innerhalb von ca. 68 Minuten selbständig wieder auflädt, ohne daß der Micro Solarkopter gezwungen ist, zu einer Heimatbasis zurückzukehren.

Bereits einen Monat später erscheint in den Fachblogs eine weitere solarbetriebene Drohne, die diesmal von Forschern der Johannes Kepler Universität Linz (JKU) unter der Leitung von Prof. Martin Kaltenbrunner stammt. Um sie zu realisieren, wurden ultraleichte Quasi-2D-Perowskit-Solarzellen entwickelt, die weniger als 2,5 µm dick sind, also 20 Mal dünner als ein menschliches Haar. Sie sind flexibel und haben einen Wirkungsgrad von 20,1 %.

Die Leistungsfähigkeit der neuen Technologie wird demonstriert, indem eine handtellergroße kommerzielle Quadrokopter-Drohne mit einem ringförmigen Rahmen versehen wird, der 24 Stück der 1 cm² großen Zellen trägt, deren gemeinsames Gewicht gerade einmal ein Vierhundertstel des Gesamtgewichts der Drohne ausmacht. Die Anordnung insgesamt macht ein Fünfundzwanzigstel des Gesamtgewichts des erweiterten Fluggeräts aus. Diese Konfiguration ermöglicht es der Drohne, die den Namen Solar Hopper erhält, für kurze Zeit energieautark zu arbeiten.

Bei Versuchen in Innenräumen - die unter einer künstlichen Lichtquelle durchgeführt werden, die das Sonnenlicht simuliert - wird die Drohne wiederholt zehn Sekunden lang in der Luft gehalten, dann gelandet und 30 Minuten lang aufgeladen. Die Drohne schließt sechs dieser ,Lade-Flug-Lade’-Zyklen erfolgreich ab und hätte sie möglicherweise unbegrenzt wiederholen können. Die Mitte April publizierte Arbeit trägt den Titel ,Flexible quasi-2D perovskite solar cells with high specific power and improved stability for energy-autonomous drones’.

Im Juli 2024 folgt der Bericht ,Sunlight-powered sustained flight of an ultralight micro aerial vehicle’ eines Teams der Beihang University in Peking, in welchem es um die Entwicklung einer solarbetriebenen Mikrodrohne namens CoulombFly geht, die im Sonnenlicht frei und dauerhaft fliegen kann. Ermöglicht wird dies durch ultraleichte Solarzellen und einen hocheffizienten elektrostatischen Antrieb. Über diese Technologie wurde bereits ausführlich in der Jahresübersicht 2018 gesprochen (s.d.).

Das Antriebssystem des CoulombFly besteht aus einem Elektromotor mit einem Gewicht von nur 1,52 g, der den oberen Rotor von 0,44 g und mit einem Durchmesser von 20 cm antreibt. Mit Folie überzogene Laschen an der Außenseite der Zelle bilden die positiven und negativen Statorplatten des elektrostatischen Motors, während der Rotor aus einer zaunartigen Reihe von 64 dünneren vertikalen Laschen hinter den Statorplatten besteht.

An den Elektroden sind Bürsten angebracht, die Ladung auf die Rotorblätter übertragen. Wird eine hohe Gleichspannung an die Elektroden angelegt, erzeugen sie elektrostatische Felder, die den Rotor antreiben. Beim Drehen passieren die Rotorblätter abwechselnd positive und negative Elektroden, wodurch die Rotation aufrechterhalten wird, was wiederum den Propeller antreibt und die Drohne in die Luft hebt.

Die Energieversorgung übernehmen zwei ultraleichte Hochleistungs-Solarzellen an der Basis der Drohne, die jeweils etwa 4 cm² groß sind. Diese erzeugen bei Sonnenlicht etwa 4,5 V, die durch einen Spannungsvervielfacher und einen Transformator geleitet werden, um sie auf 9.000 V zu erhöhen, die dann an die Statorplatten weitergeleitet werden. Den Rest bilden zahnstocherdünne Rahmenstangen und eine Welle, auf der der obere Rotor sitzt.

Mit einer Gesamtmasse von nur 4,21 g ist der CoulombFly leichter als viele Papierflieger und ist rund 600 Mal leichter als das solargetriebene Fluggerät der National University of Singapore (NUS) von 2018, das als die bisher leichteste Solardrohne bezeichnet wurde. In den durchgeführten Tests geht der CoulombFly in einer Sekunde in die Luft und fliegt unter Sonnenlichtbedingungen mit einer Bestrahlungsstärke von 920 W/m² eine Stunde lang ohne Leistungsabfall, bevor ein mechanischer Fehler ihn zum Absturz bringt.

Allerdings verfügt die Experimentaldrohne, die sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium befindet, bisher über keinen Mechanismus zur Steuerung der Flugrichtung und benötigt vertikale Schienen zur Führung. Auch können plötzliche Helligkeitsänderungen die Solarversorgung stören.

Die Forscher hoffen nun, die Nutzlast der winzigen Drohne zu erhöhen, damit sie mit kleinen Sensoren und Steuergeräten ausgestattet werden kann. Derzeit kann sie nur etwa 1,59 g an zusätzlicher Nutzlast aufnehmen. Außerdem soll sie in Zukunft durch eine Kombination aus Solarzellen und wiederaufladbaren Batterien angetrieben werden, was einen 24-Stunden-Flugbetrieb ermöglichen könnte. Das ultimative Ziel der Forscher ist jedoch, ein extrem winziges fliegendes Fahrzeug zu bauen, das etwa so groß und so schwer ist wie eine Mücke und eine Flügelspannweite von weniger als 1 cm hat.

Ein seltsam aussehendes Fluggerät wird im April 2024 von einem Team von Wissenschaftlern der City University of Hong Kong (CityUHK) und der Hong Kong University of Science and Technology in ihrer Publikation ,An agile monopedal hopping quadcopter with synergistic hybrid locomotion’ vorgestellt. Das Gerät mit dem treffenden Namen Hopcopter besteht aus einem kleinen, handelsüblichen Crazyflie-Quadrokopter, an dessen Unterseite in einem Rahmen ein mit Elastomerbändern versehenes Gummibein montiert ist, auf dem die Drohne wie auf einem federnden Pogo-Stick oder -Sprungstab herumhüpft.

Wenn Hüpfen keine Option ist, kann der Hopcopter wie eine normale Multirotor-Drohne fliegen. Um den Akku zu schonen, kann er jedoch auch nach unten beschleunigen - wobei das Bein beim Aufprall auf den Boden gefedert wird - und dann sowohl vertikal als auch horizontal schnell abprallen. Durch Einstellen des Winkels, in dem das Bein den Boden berührt, kann die Drohne die Richtung steuern, in der sie abprallt. Und während der Abprallphase ist nur wenig oder gar kein Motoreinsatz erforderlich.

Darüber hinaus ist das Bein nicht auf die Verwendung auf horizontalen Flächen beschränkt. Wenn die Drohne beispielsweise eine plötzliche schnelle Kurve fliegen muß, kann sie einfach mit dem Bein voran gegen eine schräge oder vertikale Fläche wie eine Wand fliegen und sich schnell in die gewünschte Richtung ablenken lassen. Im normalen Flugmodus wären solche schnellen, scharfen Kurven unmöglich. Zudem dient das Federbein als eine Art Stoßdämpfer, um Schäden zu vermeiden.

Auf zusätzliche Sensoren, die den Roboter stabil halten, verzichten die Forscher. Stattdessen verwenden sie stabilisierende Flossen, die aerodynamisch wirken und ein kontinuierliches Hüpfen zulassen, ohne daß der Roboter umzukippen droht. Damit kann er sogar Purzelbäume in der Luft schlagen. Außerdem kann der Hopcopter deutlich höhere Nutzlasten bewegen, da er sie nicht kontinuierlich in der Luft halten muß.

Bei Tests in Innenräumen erreicht der Hopcopter, der nur 35 g wiegt, eine durchschnittliche Sprunggeschwindigkeit von 2,38 m/s bei einer Sprunghöhe zwischen 0,6 m und 1,63 m. Viel wichtiger ist jedoch, daß er mit einer Batterieladung etwa 20,7 Minuten (andere Quellen: 50 Minuten) lang herumhüpfen kann - im normalen Flugmodus wären es lediglich 6,3 Minuten. Die Hüpfmethode als Fortbewegung ist also deutlich energieeffizienter, was die Konstruktion für eine Vielzahl von Einsätzen attraktiv macht. Den Forschern zufolge ist es möglich, nahezu jede Quadrokopter-Plattform so anzupassen, daß sie mit einem Federbein und Stabilisatoren ausgerüstet werden kann.

Als Ausgründung der CityUHK durch Fangzheng Wang entsteht im Juli 2024 das Robotik-Start-Up HopTo Technology, das die Entwicklung und Vermarktung der Hopcopter weiterführt.

Zu diesem Zeitpunkt erscheint auch ein weiteres Video der CityUHK mit dem Titel ,A High-Payload Robotic Hopper Powered by Bidirectional Thrusters’, in welchem gezeigt wird, wie eine fortgeschrittene Version des auf Schubkraft basierenden Roboterhüpfers, die 220 g wiegt, in der Lage ist, ein Gewicht von bis zu 2 kg mit sich zu tragen, dem Neunfachen des Eigengewichts. Diese Fähigkeit schließt die Lücke zwischen Bodenrobotern mit hoher Nutzlast und wendigen Plattformen in der Luft, die aber nur wenig Gewicht aufnehmen können.

Zu den wichtigsten Fortschritten, die diese hohe Nutzlastkapazität ermöglichen, gehört die Integration von bidirektionalen Schubpropellern, die sowohl Aufwärts- als auch Abwärtsschub erzeugen können, um das Energiemanagement während des Hüpfens zu verbessern. Außerdem gibt es ein verfeinertes Dynamikmodell, das die Bedingungen für schwere Nutzlasten berücksichtigt, insbesondere bei großen Sprüngen. Um den erhöhten Rechenanforderungen gerecht zu werden, wird eine Technik zur Komprimierung von neuronalen Netzen eingesetzt, die eine Echtzeitsteuerung an Bord erlaubt.

Die Fähigkeiten des Roboters werden durch eine Reihe von Experimenten demonstriert, darunter das Springen über ein hohes Hindernis, das Ausführen von scharfen Kurven mit großen Schritten sowie die Durchführung einer einfachen autonomen Navigation, während er eine 730 g schwere LiDAR-Nutzlast trägt, die das Potential des Roboters für Anwendungen wie mobile Sensorik und Kartierung in schwierigen Umgebungen zeigt.

Wie im Mai 2024 berichtet wird, entwickelt ein Team der University of Texas at Dallas (UT Dallas), das zum Teil von der US-Forschungsbehörde DARPA gefördert wird, unter Leitung der Professorin Ifana Mahbub schon seit einigen Jahren eine drahtlose Ladetechnik für Drohnen.

Die Forscherin hatte bereits 2021 einen Young Faculty Award der DARPA mit einem ein Zuschuß von 500.000 $ über zwei Jahre für ihre Forschungen an der drahtlosen Ladetechnik erhalten, nun kommt ein Stipendium hinzu, das zusätzlich 250.000 $ vorsieht.

Damit bei der Energieübertragung die elektromagnetischen Wellen nicht gestreut werden, arbeitet das Team mit Phased-Array-Antennen, mit denen die Wellen gelenkt werden. Das System besteht aus verschiedenen Sendern und kleinen Antennen, die den elektromagnetischen Strahl einen bestimmten Pfad entlang leiten. Der Aufbau ist mit einem Telemetriesystem gekoppelt, das die Bewegungen einer Drohne verfolgt und sicherstellt, daß die Antennen jederzeit darauf ausgerichtet sind und die bewegten Fluggeräte über große Entfernungen konstant mit Strom versorgt werden.

Hinweis: Über viele Entwicklungen im Bereich des Power Beaming und der drahtlosen Energieübertragung (wireless power transfer, WPT) durch Fernfeld-Strahlformung, wird in dem Kapitelteil Satellitenkraftwerke berichtet, das hauptsächlich mit dem Konzept befaßt, Strom drahtlos aus dem All zur Erde zu übertragen.

Konkret auf Drohnen bezogen ist auf die Arbeiten der Firma Global Energy Transmission Corp. (GET) mit Sitzen in Moskau und in Portland, Oregon, zu verweisen, bereits 2016 ein drahtloses Stromversorgungssystem für die Flugkörper präsentiert hat. In diversen anderen Jahresübersichten finden sich zudem Beispiele für die Antriebsenergieübertragung mittels Laserstrahlen.

Mitte Juli 2024 veröffentlichen Forscher der  Delft University of Technology (TU Delft) unter der Leitung der Professoren Tom van Dijk und Guido de Croon die Studie ,Visual route following for tiny autonomous robots’, in welcher sie über eine Methode berichten, mit der  Mikrodrohnen sicher zur Basis zurückkehren können, auch wenn ihre Fähigkeit zur Navigation durch die äußerst geringe Rechenleistung an Bord stark eingeschränkt ist - anders als bei größeren Drohnen, die LiDAR- und Computer-Vision-Systeme nutzen können, um auf dem Hinweg 3D-Karten ihrer Umgebung zu erstellen, denen sie dann auf dem Rückweg folgen.

Eine Alternative sieht vor, daß die Drohnen auf dem Hinweg eine Reihe von Schnappschüssen von ihrer Umgebung machen, um auf dem Rückweg die Landmarken auf den Aufnahmen in der umgekehrten Reihenfolge, in der sie aufgenommen wurden, aufzusuchen. Dies ist zwar eine effizientere Methode der Navigation, aber die Anzahl der erforderlichen Schnappschüsse erfordert immer noch zu viel Speicherplatz.

Um die Anzahl der Schnappschüsse drastisch zu reduzieren, nehmen sich die Wissenschaftler Ameisen und anderen Insekten zum Vorbild, die auf Futtersuche sind. Ameisen machen im Wesentlichen mentale Schnappschüsse, wenn sie sich von ihrer Kolonie entfernen, aber sie zählen auch grob die Anzahl der Schritte, die sie zwischen diesen Schnappschüssen machen. Dank dieser Schrittzählung, die als Odometrie bezeichnet wird, kommen sie mit viel weniger Schnappschüssen aus, als es sonst erforderlich wäre.

Das Team wendet das gleiche Prinzip auf einen 56 g schweren Miniatur-Quadrokopter CrazyFlie an, den sie mit einer Rundumkamera ausstatten. Da die Drohne aber keine Schritte zählen kann, macht sie etwas Ähnliches wie die Honigbiene: Mit einer kleinen, nach unten gerichteten Kamera verfolgt sie die Richtung, und wie schnell Dinge im Sichtfeld vorbeiziehen, um die aus dem optischen Fluß ermittelte Bewegung zu integrierten.

Wenn die Drohne auf ihrem Rückflug festgestellt hat, daß sie die aufgezeichnete Strecke/Richtung aus einem aufgezeichneten Schnappschuß zurückgelegt hat, vergleicht sie ihr aktuelles Kamerabild mit dem nächsten aufgezeichneten Schnappschuß. Da das Fluggerät auf dem Rückweg zwangsläufig ein wenig abdriftet, korrigiert es seinen Kurs, bis die beiden Bilder fast genau übereinstimmen. Auf diese Weise navigiert die Drohne in einem Innenraum und ist in der Lage, mit nur 1,16 kB Speicherplatz, was der Kapazität der meisten handelsüblichen Mikrodrohnen entspricht, auf einem gewundenen 100 m Hindernisparcours selbständig zur Basis zurückzukehren. Damit verbraucht die Flugbahndarstellung weniger als 20 Bytes pro Meter.

Ingenieure der University of South Australia (UniSA) um Prof. Javaan Chahl berichten im August 2024 wiederum über die Entwicklung eines Algorithmus, der anhand einer Reihe von Bildern des Nachthimmels die Position einer Drohne bestimmen kann, ohne daß externe Signale oder Datenverbindungen erforderlich sind. Die Umsetzung basiert auf einer Entdeckung im Jahr 2013, als schwedische Forscher der Lund University um Marie Dacke und Eric Warrant nachweisen konnten, daß nachtaktive Mistkäfer (Scarabaeus satyrus) die Milchstraße zur Orientierung nutzen. Ihre Arbeit wurde damals mit dem Ig-Nobelpreis ausgezeichnet.

Das Team der UniSA nutzt jetzt Technik, die der Mistkäfer verwendet, um einen KI-Sensor zu konstruieren, der die Ausrichtung der Milchstraße bei schwachem Licht genau messen kann. Das leichtgewichtige und kostengünstige Navigationssystem, das auch keine Stabilisierungshardware benötigt, kombiniert klassische Himmelsnavigation mit Computer-Vision/Deep-Learning und kann in nahezu alle Drohnen integriert werden.

Um ihre Position zu bestimmen, fliegt die Drohne einen bestimmten Rundkurs, bei dem sie Bilder des Sternenhimmels aufnimmt. Anschließend werden die Aufnahmen verglichen und der Algorithmus entfernt etwaige Verzerrungen, die aus der Bewegung der Drohne resultieren. Diese Art der Navigation ist ideal für Einsätze über Ozeanen oder in Kriegsgebieten, in denen GPS-Störungen ein Risiko darstellen. Da das System passive Hinweise am Himmel nutzt, sendet es auch keine Signale aus, so daß es kaum zu erkennen ist. Die Studie ,An Algorithm for Affordable Vision-Based GNSS-Denied Strapdown Celestial Navigation’ ist im Netz einsehbar.

Eine Entwicklung, die ebenso lustig wie schräg ist, wird im September 2024 von einem großen Forschungsteam der Seoul National University of Science and Technology (SeoulTech) in Südkorea präsentiert: eine als Palletrone Cart bezeichnete Multirotor-Plattform, die als fliegender Einkaufswagen genutzt werden kann. Die Studie unter dem Titel ,The Palletrone Cart: Human-Robot Interaction-Based Aerial Cargo Transportation’ ist im Netz einsehbar. Der Name ist eine Kombination aus Palette (pallet) und Drohne (drone).

Im Wesentlichen handelt es sich bei dem Gerät um einen rechteckigen Käfig, dessen Aktuatoren einen kontinuierlichen, gleichmäßigen Luftstrom erzeugen, der die Plattform zum Schweben bringt. Hierzu sind in dem Käfig zentral vier Servomotoren mit Propellern aufgehängt. An der Oberseite gibt es eine gitterartige Auflagefläche, und an einer der schmalen Seiten ist ein Griff angebracht, über den der Palletrone Cart durch Schiebe-, Dreh- und Kippbewegungen gesteuert wird. Hierzu sind die Rotoren an drehbaren Armen befestigt, um den Schub in jede Richtung zu lenken.

Das nützliche Gerät, mit dem holpernde und klappernde Einkaufswagen bald der Vergangenheit angehören könnten, schwebt über Hindernisse hinweg und läßt sich mittels eines speziell entwickelten Mensch-Roboter-Interaktionssystems und eines Trägheitssensors (Inertial Measurement Unit, IMU) auch über Treppen einfach manövrieren, allerdings beträgt die Ladekapazität nur 2,93 kg.

Im nächsten Schritt beabsichtigen die Wissenschaftler daher, die Tragfähigkeit zu erhöhen und die Steuerung zu verbessern, denn derzeit kann das System nicht auf äußere Störungen reagieren, wie etwa durch Wind. Und um von Filmcrews als fliegende Stativplattform eingesetzt zu werden, wie es sich die Entwickler vorstellen, muß auch noch der Geräuschpegel gesenkt werden.

Eine Gruppe rund um die Professorin Aimy Wissa und Girguis Sedky an der Princeton University veröffentlicht Ende Oktober 2024 die im Netz einsehbare Studie ,Distributed feather-inspired flow control mitigates stall and expands flight envelope’, die sich mit dem bisher weitgehend unklaren aerodynamischen Effekt der Deckfedern befaßt, die den vorderen Teil der Flügelober- und -unterseite bei vielen Vögeln bedecken. Diese Deckfedern nehmen zwar nicht aktiv an der Flugbewegung teil, werden allerdings bei bestimmten Flugbewegungen durch den Luftstrom aufgerichtet, vor allem in Reaktion auf Luftstöße oder bei der Landung.

Um der aerodynamischen Funktion der Deckfedern im Windtunnel nachzuspüren und an präzise Meßdaten zu gelangen, bauen die Forscher mehrere Tragflächenmodelle, auf denen sie eine oder mehrere dünne Plastiklamellen an verschiedenen Positionen befestigen. Diese bio-inspirierten Lamellen können wie Deckfedern auf den Luftstrom reagieren und sich in ihm aufstellen oder anlegen.

Die Ergebnisse zeigen, daß die passiven Bewegungen der Deckfeder-Imitate das Flugverhalten und den Auftrieb des Flügels erheblich beeinflussen, was vor allem für die im vorderen Bereich des Flügels angebrachten Lamellen gilt. Sie erhöhen den Auftrieb und verringern die Reibung, die durch turbulente Strömungen an der Flügeloberfläche entsteht, was nicht zuletzt auch die Gefahr eines Strömungsabrisses bei steileren Anstellwinkeln oder langsamer Fluggeschwindigkeit senkt.

Je mehr Lamellen im vorderen Teil des Flügels angebracht werden, desto größer ist der Effekt. Als besonders effektiv erweisen sich Lamellen, die in 2 - 5 Reihen hintereinander an der Oberseite der Flügel befestigt sind, wobei die fünfreihige Version den Auftrieb um 45 % verbessert und die Reibung um 31 % verringert.

Im Anschluß an die Windtunnel-Experimente wird ein Modellflugzeug mit entsprechenden Lamellen ausgerüstet und führt diverse, teils riskante Manöver in der Luft aus. Dabei beweist sind, daß die Lamellen den maximal möglichen Steigwinkel erhöhen und den gefürchteten Strömungsabriß verzögern, während sie gleichzeitig die Stabilität des Flugzeugs verbessern und es erleichtern, die Kontrolle wiederzuerlangen, wenn es doch zum Strömungsabriß kommt.

Das Team geht davon aus, daß die passiven Deckfeder-Klappen eine einfache und relativ günstige Methode sein könnten, um die Sicherheit von Flugzeugen oder Drohnen zu verbessern, ohne dabei Strom oder eine aktive Steuerung zu benötigen.

Im November 2024 veröffentlichen Prof. Dario Floreano und Hoang-Vu Phan von der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) die Arbeit ,A twist of the tail in turning maneuvers of bird-inspired drones’, in der sie eine von Falken inspirierte Drohne mit Federflügeln beschreiben, die Kurvenflüge ohne Einsatz ihrer Flügel ausführen kann.

Die Forscher begannen ihre Arbeit, als sie feststellten, daß viele Greifvogelarten beim Segelflug eine Schräglage einleiten, ohne ihre Flügel zu bewegen. Stattdessen wird der Vorgang durch eine Manipulation des Schwanzes ausgeführt. Im Gegensatz dazu führen Flugzeuge und Starrflügel-Drohnen die Schräglage durch die Betätigung der Querruder auf der Rückseite der Flügel aus.

Die Ingenieure entwerfen und bauen daraufhin einen gefiederten, mechanischen Raubvogel, der die Technik eines Falken nachahmt und den sie LisRaptor nennen. Aus leichten Materialien schaffen sie raubvogelähnliche Knochen und Gelenke für die Flügel und den Schwanz, die sie an einen ebenso leichten Körper anpassen und anschließend mit Schaumstoffedern überziehen. Die Drohne wird durch die Befestigung einer Stange am Körper in der Luft gehalten, während das andere Ende der Stange von einem Forscher in der Hand gehalten wird.

Indem sie Videos von Falken im Flug studieren, um zu lernen, wie diese ihren Schwanz bewegen, um eine Kurvenflugbewegung einzuleiten, können sie dies mit dem LisRaptor nachahmen, den sie dann in einen Windkanal setzen. Dort ist der künstliche Falke tatsächlich in der Lage, sich erfolgreich aufzustellen, ohne seine Flügel zu benutzen, stattdessen genügt eine bestimmte Drehung des Schwanzes.

Die beiden Forscher finden heraus, daß das Ganze aufgrund der Nähe des Schwanzes zu den Flügeln funktioniert: Eine leichte Verdrehung ermöglicht eine asymmetrische Windströmung über die Flügel und den Schwanz, was zu einem asymmetrischen Auftrieb führt, wodurch sich der gesamte Vogel zu einer Seite neigt, obwohl er leicht nach oben zeigt, um ein Überziehen zu verhindern. Es wird vermutet, daß die Erkenntnisse für die Entwicklung neuer Drohnenarten nützlich sein könnten, die sich sanfter drehen können.

Einen Monat später zeigt ein EPFL-Team um den Doktoranden Won Dong Shin maßgeschneiderte, multifunktionale Vogelbeine, die von langen Beobachtungen von Krähen und den Proportionen ihrer Beine inspiriert sind. Einsatz finden sie bei der Drohne Raven (Robotic Avian-inspired Vehicle for ENvironments), einer Mischung aus Vogel und Luftfahrzeug, die dank dieser Beine Hindernisse überwinden und von nahezu jedem Untergrund aus starten kann.

Entstanden ist die Leichtbaukonstruktion, die sowohl kompakt als auch vielseitig ist, durch mathematische Modelle, Computersimulationen und zahlreiche Tests. Die Beine wiegen insgesamt nur 620 g und kombinieren Federn sowie Motoren, um die Sehnen und Muskeln der Vögel zu imitieren, wobei eine spezielle Gelenkstruktur in den Füßen es der Drohne ermöglicht, wie ein echter Rabe stabil zu gehen, zu hüpfen und zu springen.

Ein besonderes Merkmal von Raven ist die Möglichkeit, durch einen Sprung in den Flug zu starten, was sowohl die kinetische Energie (Geschwindigkeit) als auch die potentielle Energie (Höhengewinn) optimal nutzt. Der Sprungstart ermöglicht es der Drohne zudem, Hindernisse von bis zu 26 cm Höhe zu überwinden – ein bedeutender Vorteil, wenn der Startplatz uneben oder eingeschränkt ist. Dies macht Raven besonders geeignet für den Einsatz in schwierigem Terrain.

Gemeinsam mit Kollegen der University of California, Irvine (UCI o. UC Irvine) arbeiten die Forscher bereits an einer Weiterentwicklung von Raven. Ziel ist es, die Landefähigkeiten der Drohne zu verbessern und ihre Anpassungsfähigkeit an verschiedene Oberflächen zu erhöhen. Zudem sollen der Energieverbrauch weiter reduziert und die Steuerung noch präziser gemacht werden.

In der im November 2024 veröffentlichten und im Netz einsehbaren Studie ,Machine Learning-Based Wind Classification by Wing Deformation in Biomimetic Flapping Robots: Biomimetic Flexible Structures Improve Wind Sensing’ untersuchen Forscher des Institute of Science Tokyo unter der Leitung von Prof. Hiroto Tanaka den Einsatz von Dehnungssensoren an kolibriähnlichen, flexiblen Flügeln, um in einem Windkanal die Strömungsrichtungen während des gefesselten Flügelschlags zu erfassen, der den Schwebeflug bei leichtem Wind simuliert.

Fliegende Insekten und Vögel verfügen über mechanische Rezeptoren auf ihren Flügeln, die sensorische Belastungsdaten sammeln und ihre Flugsteuerung unterstützen. Diese Rezeptoren erkennen Veränderungen des Windes, der Körperbewegung und der Umweltbedingungen und ermöglichen so eine reaktionsschnelle Anpassung während des Fluges.

Die bioinspirierte Windmessung, mit der sich die Windrichtung mit Hilfe von sieben Dehnungsmeßstreifen an flexiblen Schlagflügeln und einem Konvolutions-Neuralnetz-Modell (Convolutional Neural Network, CNN) mit einer Genauigkeit von 99,5 % ermitteln läßt, könnte zur Verbesserung der Steuerung und Anpassungsfähigkeit von Schlagflügel-Flugrobotern bei wechselnden Windverhältnissen führen. Schließlich  können sich kleine Flugroboter aufgrund von Gewicht und Größe keine herkömmlichen Strömungsmeßgeräte leisten, während Dehnungsmessstreifen weit verbreitete und kostengünstige kommerzielle Elemente sind.

Ebenfalls im November 2024 erfolgt die offizielle Eröffnung des DroneHub in dem modularen Forschungsgebäude NEST (Next Evolution in Sustainable Building Technologies) auf dem Empa-Campus in Dübendorf. Der Bau des NEST begann im August 2014, die ersten Forschungsmodule wurden Ende 2015 installiert. Der neue, in Zusammenarbeit mit dem Imperial College London entwickelte DroneHub wird von Prof. Mirko Kovac geleitet, der uns in den bisherigen Jahresübersichten schon mehrfach begegnet ist.

Der Hub ist eine Art Voliere mit einer Höhe von bis zu 11 m und einer Grundfläche von 90 m², die aus einer Röhrenkonstruktion und einem Gitternetz besteht und auf der obersten Plattform von NEST zu liegen kommt – zwischen den beiden bestehenden Units DFAB HOUSE und HiLo (High Performance – Low Emissions), über die ich in der Jahresübersicht 2013 im Kapitelteil 3D-Druck in der Architektur berichte. Der DroneHub soll als ständige Outdoor-Testumgebung genutzt werden.

An der Forschungseinrichtung sollen künftig autonome Drohnen und Roboter der nächsten Generation entwickelt und getestet werden, die Gebäudehüllen inspizieren und reparieren, mit natürlichen Ökosystemen interagieren sowie den Klimawandel und die Artenvielfalt überwachen.

Im Endausbau soll der DroneHub Testumgebungen für drei Forschungsfelder bieten: für Drohnen, die Inspektions- und Reparaturarbeiten in der Vertikalen ausführen, wozu auch 3D-Druckverfahren aus der Luft gehören; Drohnen, die mit der Natur interagieren; sowie Drohnen, die auf natürliche Weise in den städtischen Alltag integriert sind und mit Robotern und Menschen koexistieren.

Zur Erinnerung: Neben vielen anderen Aktivitäten stellte Kovac im Juni 2010 einen von Insekten inspirierten Sitzmechanismus vor, und im Februar 2016 war er gemeinsam mit Talib M. Alhinai Gewinner des Wettbewerbs Drones for Good in den VAE - mit einer Drohne namens Buildrone, die als fliegender Roboter Lecks in Pipelines erkennt und auch reparieren kann. Das Thema 3D-Drucker-Drohne kommt dann wieder im September 2022 auf den Tisch (s.d.).

Zum Abschluß der Übersicht sei auf ein Drohnenkonzept von Baptiste Grenon aus Frankreich hingewiesen, das sich durch ein energieeffizientes Design auszeichnen soll, das durch Flügel ermöglicht wird, die der Drohne Stabilität verleihen und Flüge in großen Höhen ermöglichen, ohne dabei übermäßig viel Energie zu verbrauchen.

Die DJI Glide genannte Drohne hat nach wie vor die bekannte Quadrokopter-Form, verfügt aber zusätzlich über Flügel, was ihr ein hybrides Design verleiht, das sich in einer längeren Akkulaufzeit und einer größeren Reichweite niederschlägt. Das Design umfaßt zwei Standardpropeller und zwei Propeller, die direkt in die Flügel der Drohne eingebaut sind, welche während des Fluges als Propellerschutz dienen. Die Propeller im hinteren Teil kommen ohne Schutz aus, da sie von den Flügeln vor ihnen effektiv abgeschirmt werden. Für eine bessere Manövrierfähigkeit sind an den Flügelspitzen kleine Ruder eingebaut.

Eine kardanisch gelagerte Hasselblad-Kamera an der Vorderseite zeichnet die Perspektive der Drohne auf, während ihr Kameras an der Vorder-, Rück- und Unterseite ein räumliches Bewußtsein verleihen, das es ihr ermöglicht, eigenständig zu manövrieren und wieder zur Basis zurückzukehren, wenn ihr Akku leer ist. Dieser sitzt oben und wird direkt an der Rückseite der Drohne angeschlossen. Da die DJI Glide kein sehr kompaktes kleines Gerät ist, hat sie abnehmbare Flügel. Dadurch ist sie portabel und kann für den Versand flach verpackt werden.

 

Weiter mit den Elektro- und Solarfluggeräten...