01.12.2021 – Kategorie: Konstruktion & Engineering

Solarantrieb für autonome Luftfahrzeuge: Geräuschlos und umweltfreundlich

SolarantriebQuelle: XSun

Die Aufgabe des unbemannten Luftfahrzeugs SolarXOne ist es, Bilder in zentimetergenauer Auflösung zu produzieren. Der dafür notwendige Antrieb musste zuverlässig, leistungsfähig und klein sein. Fündig wurde der Drohnenhersteller XSun beim Antriebsspezialisten maxon.

Das 2016 gegründete Unternehmen XSun entwickelt und fertigt mit der SolarXOne eine Drohne mit Solarantrieb, die sowohl energetisch autark als auch fliegerisch autonom ist und vollautomatische Einsätze absolvieren kann.

Fluggerät mit Solarantrieb

Das Luftfahrzeug verfügt über Tandemflügel, kann zwölf Stunden in der Luft bleiben und legt dabei 600 Kilometer geräuschlos zurück. Dieses innovative Fluggerät wurde von modernsten Entwicklungen aus der Luft- und Raumfahrt beeinflusst und hat das Interesse verschiedenster Fachbereiche erregt. Für die Entwicklung der SolarXOne benötigte XSun zuverlässige, hochleistungsfähige Unterbaugruppen. Daher wandte sich das Start-up zur Entwicklung des Antriebssystems an den Hersteller
maxon motor.

Kombination neuer Technologien

Benjamin David, der auf ein Jahrzehnt an Erfahrung bei Airbus Defence and Space zurückblicken kann, gründete XSun auf Grundlage einer recht einfachen Idee: Anpassung der Raumfahrttechnik für den Einsatz in geringeren Höhen. Aus diesem Ansatz heraus entstand die SolarXOne: Eine autonome Drohne mit Solarantrieb und Tandemflügeln. Die Tandemflügel der Drohne erinnern an eine Libelle und verleihen ihr ein ausgezeichnetes Flugverhalten. Die Oberfläche der Solar-Panels hat man recht groß gewählt, um möglichst viel Sonnenenergie tanken zu können und die ­SolarXOne zu einem hochleistungsfähigen, voll elektrischen System zu machen.

„Wir sind der festen Überzeugung, dass sich die aktuellen umweltbezogenen, wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Herausforderungen am besten durch die Kombination neuer Technologien mit der Nutzung von Energie aus erneuerbaren Quellen meistern lassen“, erklärt Benjamin David. Dank des Solarantriebs verlängert sich die Lebensdauer der Bordbatterie um den Faktor drei.

Solarantrieb
Die SolarXOne ist mit zwei modifizierten Flachmotoren ECX87 von maxon ausgerüstet, die in der Nase der Drohne montiert sind.
Bild: XSu

SolarXOne: Breites Anwendungsspektrum

Mit ihrer Einsatzreichweite von 600 Kilometern kann die SolarXOne Hunderte Hektar überfliegen und dabei Bilder in zentimetergenauer Auflösung produzieren. Ihre vielseitige Verwendbarkeit macht die Drohne für verschiedensten Bereiche interessant:

  • Kartografieren und Vermessen großer Land- und Seegebiete, zum Beispiel ­Naturschutzgebiete
  • fotografische Übersichten großer Infrastrukturelemente in sehr hoher Auflösung (Rohrleitungen, Stromleitungstrassen, Straßen, Flüsse usw.)
  • fotografische Übersichten für die Präzisionslandwirtschaft, zum Beispiel im ­Zusammenhang mit Waldkartierung
  • Überwachungs- und Prüfungseinsätze

XSun vermarktet seine autonome Drohne nicht nur, sondern bietet sie auch als Charter-Service an. Hier fliegt ein Team die Drohne im Auftrag von Kunden, die nur Daten sammeln möchten.

Maxon-Antrieb für die Drohne

Effizienz, Qualität, Ausfallsicherheit und Langlebigkeit: Das waren die Leitlinien, ­denen die Entwicklung der SolarXOne folgte. „Durch die voll elektrische Auslegung mussten wir bei jeder Baugruppe auf geringe Kosten und hohe Energieeffizienz achten. Deshalb war es auch so wichtig, nur die Besten ins Boot zu holen, und beim Antrieb ist das eben maxon“, erklärt der Gründer Benjamin David. Für den ­Antrieb musste vor allem eine zuverlässige und leistungsfähige, dabei aber auch möglichst kompakte Lösung gefunden werden, wobei die Anforderungen praktisch die gleichen waren wie in der Luft- und Raumfahrtbranche. „Für diesen Bereichen bietet maxon die passenden Lösungen. Es gibt gute Gründe dafür, warum das Unternehmen Robotermotoren an die NASA liefert. Als maxon im Bereich Drohnen aktiv wurde, haben wir uns sehr gefreut, und starteten schnell eine Kooperation“, fügt Benjamin David hinzu.

Solarantrieb: Technologische Grenzen ausloten

Damit die Drohne mehr als zwölf Stunden autonom fliegen kann, musste XSun die Grenzen der Technologie ausloten. Das Unter­nehmen machte sich die Expertise von maxon in den Bereichen Steuerung, Motor und Antrieb zunutze. „Vom energetischen Standpunkt aus betrachtet, bestand das Ziel darin, bei möglichst geringem Gewicht den Energieverbrauch so niedrig wie möglich zu halten. Technologisch war das eine harte Nuss“, erinnert sich Michael Niemaz, Projektingenieur im Bereich Luft- und Raumfahrt bei maxon, der seit 2019 mit XSun zusammenarbeitet. Zu dieser Zeit brachte maxon seine erste Antriebe für Drohnen heraus. Einen der Drohnenmotoren, den ECX87 Flat, passten die Ingenieure von maxon speziell an die Anforderungen von XSun an.

„Zu Beginn unserer Kooperation war dieser Motortyp nur als grundlegendes Konzept vorhanden. Daher mussten wir einen Antrieb kundenspezifisch anpassen, der sich noch im Entwicklungsstadium befand. Beispielsweise integrierten wir neue Funktionen und Sensoren, erläutert Luise Löskow, Projektleiterin im Bereich Luft- und Raumfahrt bei ­maxon und ergänzt: „Unser erfahrenes Team, bestehend aus Konstrukteuren, Prüf- und Qualitätsingenieuren, Einkäufern sowie Produktionsarbeitern, tauschte sich ausführlich zu den verschiedenen technischen Anforderungen und Problemen aus, um die passenden Lösungen zu finden.“

Zwei Motoren für leistungsstarken Solarantrieb

Maxon erhöhte die Leistung seines Flachmotors ECX87 und optimierte die Windung, um den bestmöglichen Antrieb zu erhalten. Die SolarXOne ist mit zwei modifizierten Flachmotoren ECX87 ausgerüstet, die in der Nase der Drohne montiert sind.

„Damit die SolarXOne auch Städte sicher überfliegen kann, wollte XSun für die Drohne eine möglichst weitgehende Zertifizierung erreichen. Das Fachwissen von maxon spielte hierbei eine wichtige Rolle, da unsere Fertigungsqualität dem Motor eine solche Zuverlässigkeit verleiht, dass er auch zukünftig zertifizierungsfähig ist“, erläutert Michael Niemaz. Der XSun-Gründer Benjamin David stimmt dem zu und ergänzt: „Mit einem anderen Partner als maxon wäre es schwierig, die gleiche Qualitätsstufe zu erreichen. Nur sehr wenige Unter­nehmen sind in der Lage, einen so detaillierten 25-seitigen Prüfbericht zu liefern.“

Seit dem ersten Treffen auf dem Pariser Aérosalon 2019 arbeiten die Teams von maxon und XSun eng zusammen. Im Juli 2020 meisterte die autonome Drohne ­SolarXOne auf ihrem ersten Langstreckenflug mit Solar­antrieb einen zwölfstündigen Flug – geräuschlos, ohne jegliche CO2-Emissionen und vollkommen autonom. Seitdem hat sie im Auftrag zahlreicher Kunden aus Frankreich und anderen europäischen Ländern weitere erfolgreiche Einsätze absolviert.

Fakten über SolarXOne

Das autonome Luftfahrzeug SolarXOne ist eine Mischform aus Flugzeug und Drohne, wiegt 25 Kilogramm bei einer Spannweite von 4,5 Metern und erfüllt folgende Eigenschaften:

  • Benutzerfreundlich: Die SolarXOne ist so leicht zu fliegen wie eine Drohne, aber so leistungsfähig wie ein Flugzeug.
  • Schnell einsatzbereit: Flugfertig in 30 Minuten
  • Reichweite: 12 Stunden Nonstop-Flug
  • Geräuschlos: Der voll elektrische Antrieb der Drohne ermöglicht einen geräuschlosen Flug.
  • Ausgezeichnete Flugeigenschaften: Der aerodynamische Aufbau in Verbindung mit der eingesetzten Technologie verschafft der Drohne ausgezeichnete Flugeigenschaften.
  • Zuverlässig: Durch redundante Systeme kann sich der Anwender auf eine hohe Ausfallsicherheit verlassen.
  • Wartungsarm: Durch die voll elektrische Auslegung der Geräte ist nur ein geringer Wartungsaufwand erforderlich.
  • Tag- und Nachteinsatz möglich: Die Bordbatterien werden durch Solarenergie aufgeladen.
  • Außergewöhnliche Nutzlast:Gyroskope, Hochleistungskameras, Wärmebildkameras, LIDAR usw.: Die SolarXOne kann einschließlich der neuesten Kommunikations- und Sicherheitstechnik bis zu fünf Kilogramm Nutzlast transportieren.
  • System nach Aeronautik-Standard: Die Drohne kann auch nach strengsten Vorgaben zertifiziert werden und erhält problemlos bei Behörden weltweit die Flugzulassung.

Die Autorin Madeline Vassaux ist Responsable Marketing & Communication bei maxon France.

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