Die Materialien moderner Drohnen: Von Carbonfaser bis Lithium-Ionen-Akkus

Wichtigste Materialien in Drohnen:

• Carbonfaserverstärkte Verbundwerkstoffe (CFK)
• Thermoplaste wie Polyester, Nylon, Polystyrol etc.
• Aluminium
• Lithium-Ionen-Akkus

Es scheint, als wären Drohnen gestern noch Novitäten, Prototypen von Unternehmen und findigen Hobbyisten. Jetzt scheinen Drohnen die Welt erobert zu haben. Sie sind überall – in Industrie, Kunst und sogar als Kinderspielzeug. Man übersieht oft, dass diese kleinen Fluggeräte erst vor Kurzem alltäglich wurden. Drohnen stecken noch in den Kinderschuhen, und mit fortschreitenden Material- und Mikrocontrollertechnologien werden die Drohnen der Zukunft sich in einer Weise weiterentwickeln, die fast wie Science Fiction anmutet.

Indem wir untersuchen, wie Drohnen designed sind und aus welchen Materialien sie bestehen, können wir verstehen, wie sich diese wichtige Technologie entwickelt hat und einen Eindruck gewinnen, wie sie sich in naher Zukunft weiterentwickeln könnte.

Unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs) ersetzen rasch traditionelle Landvermessungsmethoden. Sie wachsen so schnell an Beliebtheit, dass manche sogar den klassischen „Vogelperspektive“-Ausdruck durch „Drohnenperspektive“ ersetzt haben.

Was sind Drohnen? Wie sind sie konstruiert? Und was treibt ihren Anstieg zu einer verbreiteten Technologie an?

Finden wir es heraus.

Was sind Drohnen?

Für die meisten Menschen ist eine „Drohne“ ein spezieller Typ unbemannter Luftfahrzeuge (UAV): der Multirotor oder Multicopter. Wie der Name sagt, fliegen diese Geräte, indem sie Schub nach unten von zwei oder mehr motorgetriebenen Propellern lenken.

Die beliebtesten Konsummodelle sind Quadrocopter (4 Rotoren), kommerzielle Varianten umfassen Hexacopter (6 Rotoren) und Oktocopter (8 Rotoren) für größere Tragkraft. Obwohl es eine Vielzahl von militärischen und zivilen Drohnen gibt, konzentrieren wir uns auf gängige Multirotor-Drohnen und ihre Materialien.

Um fliegen zu können, müssen Drohnen genügend Auftrieb erzeugen, um ihr Eigengewicht zu überwinden. Daher wird die Materialauswahl bei Drohnen von der Minimierung der Masse dominiert.

Jedes Gramm Material kostet Energie zum Heben, und jedes eingesparte Gramm verbessert die Leistung:

• Erhöhte Nutzlastkapazität
• Verlängerte Flugzeit
• Reduzierte Trägheit und verbesserte Manövrierfähigkeit

Dieser Prozess der Materialauswahl und Komponentengestaltung zur Masseminimierung nennt man „Lightweighting“. Das gibt uns das wichtigste Materialauswahlkriterium: Masse minimieren durch Auswahl niedrigdichter Materialien.

Bauteil für Bauteil

Drohnen sind komplexe Geräte, bestehend aus verschiedenen Komponenten, die zusammenarbeiten. Jede Komponente erfüllt eine andere Funktion, daher spielen bei der Materialauswahl für jedes Teil unterschiedliche Überlegungen eine Rolle. Doch für jedes Drohnenteil muss die Materialdichte berücksichtigt werden, um Gewicht zu minimieren und Leistung zu maximieren.

Der Rahmen: Alles zusammenhalten

Der Rahmen gibt der Drohne ihre Form und hält alle Teilsysteme an Ort und Stelle. Da er eine mechanische Funktion hat, ist die wichtigste Materialeigenschaft für den Rahmen Festigkeit. Bei kommerziellen Drohnen sind Thermoplaste wie Nylon-, Polyester- und Polystyrolvarianten beliebt, weil sie günstig in komplexe Formen per Spritzguss herzustellen sind.

Thermoplaste bieten auch gute Festigkeit und niedrige Dichte, mit Zugfestigkeiten über 100 MPa und Dichten unter 2 g/cm³. Viele Thermoplaste sind auch als Filamente für 3D-Druck individueller Teile erhältlich, was sie zu einem beliebten Bestandteil experimenteller Drohnen macht.

Während kommerzielle Drohnen etwas Gewicht für Erschwinglichkeit opfern können, priorisieren Industriedrohnen Leistung. Ein Material mit hoher Festigkeit kann in geringeren Mengen verwendet werden, was zu einem noch leichteren, leistungsstärkeren Drohnen führt.

Nutzt man eine Matmatch-Suche nach Materialien mit niedrigster Dichte und höchster Festigkeit, findet man die Top-Wahl für Hochleistungs-Drohnenrahmen: carbonfaserverstärkte Verbundwerkstoffe. Diese bieten hohe Festigkeit, niedrige Dichte und hohe Steifigkeit für leichte, starre Rahmen.

Motoren & Propeller: Abheben

Ohne Schubquelle würde eine Drohne nie abheben. Die Motoren, die Drohnen antreiben, sind herkömmliche Elektromotoren mit Kupferwicklungen und Permanentmagneten. Das Motorgehäuse kann zur Gewichtsminimierung gewählt werden, wobei sowohl Thermoplaste als auch Aluminiumlegierungen gute Festigkeits-Gewichts-Verhältnisse bieten.

Motoren können jedoch erhebliche Wärme erzeugen. Daher können Materialien mit hoher thermischer Leitfähigkeit wie Aluminium für das Gehäuse verwendet werden, um den Motor zu kühlen.

Der weltweite nicht-militärische Drohnenmarkt, dominiert von chinesischen Herstellern, wird sich im nächsten Jahrzehnt auf 14,3 Mrd. $ Umsatz verdreifachen. (Reuters)

Die Rotorblätter von Drohnen drehen sich mit hoher Geschwindigkeit, daher unterliegen sie dem größten Verschleiß beim Fliegen (oder Abstürzen). Wie bei Rahmenmaterialien geht es bei der Wahl des optimalen Rotorblattmaterials um Maximierung der Festigkeit bei Minimierung des Gewichts.

Einige Rotorblätter bestehen aus carbonfaserverstärkten Verbundwerkstoffen. Da Rotorblätter jedoch häufig beschädigt und ersetzt werden, sind viele aus Thermoplasten gefertigt, um Ersatzkosten zu senken.

Da Rotorblätter meist bei Hochgeschwindigkeitsaufprall beim Drehen beschädigt werden, könnte ein Ingenieur, der ein langlebiges Rotorblatt entwerfen will, Materialien nach Schlagzähigkeit und Dichte filtern, um ein geeignetes Material auszuwählen.

Batterien: Die Energie zum Fliegen

Von allen Komponenten einer Drohne könnten Verbesserungen bei der Batterietechnologie der wichtigste Durchbruch sein, der moderne Multirotor-Drohnen erst möglich machte. Wie bei mechanischen Komponenten Festigkeits-Gewichts-Verhältnisse betrachtet werden, kann Batterieleistung in Bezug auf das Batteriegewicht gemessen werden.

Kennzahlen wie spezifische Energie (J/kg) und spezifische Leistung (W/kg) beschreiben die Fähigkeit einer Batterie, Energie in Abhängigkeit von ihrer Masse zu speichern und abzugeben.

Ältere Blei-Säure- und NiCd-Batterien waren zu schwer, damit eine von ihnen angetriebene Drohne lange fliegen konnte, wenn sie sich überhaupt vom Boden abheben konnte. Moderne Lithium-Ionen-Batterien bieten jedoch genug Energie und Leistung in einem leichten Paket, um heutige Multirotor-Drohnen zu ermöglichen. Zukünftige Fortschritte in Batterie- und Kondensatortechnologie werden noch leichtere, leistungsstärkere Drohnen ermöglichen.

Sensoren: Das Nervensystem der Drohne

Multirotor-Drohnen führen bei jedem Flug einen empfindlichen Balancierungsakt aus. Wenn ein Motor zu viel Schub liefert, kippt die Drohne oder kippt gar um. Genau wie der menschliche Körper ein komplexes Netz aus Sinnen und Nerven nutzt, um beim Gehen das Gleichgewicht zu halten, nutzen Multirotor-Drohnen ein beeindruckendes Set an Sensoren und Rückkopplungsmechanismen, um in der Luft zu bleiben.

Polizei und Strafverfolgung nutzen Drohnen für Unfallaufklärung, Vermisstensuche, Verdächtigenortung, Rettungseinsätze, Erkennung illegaler Aktivitäten, Sicherung sensibler Bereiche und Tatortuntersuchungen.

Die wichtigsten Teile des „Nervensystems“ einer Drohne sind ihre Neigungssensoren. Eine Mischung aus gyroskopischen Sensoren und Beschleunigungsmessern, sind Neigungssensoren in Rückkopplungsschleifen mit den Motoren der Drohne gekoppelt.

Eine Drohne im Flug nimmt ständig winzige Anpassungen am Motorenschub vor, um waagerecht zu bleiben, was es ihr ermöglicht, Luftströmungen und extreme Manöver auszugleichen. Einige fortgeschrittene Drohnen können auch jeden Rotor unabhängig neigen, sodass die Drohne sowohl Richtung als auch Stärke des Schubs jedes Rotors steuern kann.

Drohnen können auch eine Vielzahl weiterer Sensoren einsetzen, um interne Systeme und die Umwelt zu überwachen. Strom- und Spannungssensoren helfen der Drohne, den Energieentzug aus ihren Reserven zu verfolgen, damit der Pilot weiß, wann es Zeit zum Landen und Aufladen ist.

GPS- und Magnetfeldsensoren unterstützen die Navigation durch Messung von Position und Ausrichtung. Luftströmungssensoren ermöglichen Drohnen, ihre Luftgeschwindigkeit oder Windströmungen zu erfassen, und diese Informationen können in die Balancierschaltkreise zurückgespeist werden, um den Flug noch stabiler zu machen.

Mikrocontroller und Kameras: Intelligentere Drohnen

Die gleichen Fortschritte in der Mikrochip-Technologie, die das moderne Smartphone schufen, ermöglichen es Drohnen, fliegende Computer zu sein. Viele Chips, die in Smartphones zu finden sind (Intel, Nvidia, Qualcomm, Arm etc.), finden sich auch in Drohnen.

Je intelligenter Drohnen werden, desto mehr sind sie in der Lage, anspruchsvollere Aufgaben mit weniger menschlicher Steuerung zu übernehmen. Derzeit bedeutet das, dass Drohnen vorgegebenen Pfaden ohne menschlichen Piloten folgen oder Messungen von einem noch größeren Sensorarray aufzeichnen können. Aber Forscher lernen, Drohnen zu programmieren, um zunehmend komplexe Aufgaben ohne menschliche Hilfe auszuführen.

Für die meisten Menschen ist der ganze Zweck von Drohnen, eine Kamera in Höhen zu tragen, die ein Mensch sonst nicht erreichen könnte. Selbst grundlegende Konsumdrohnen tragen eine Kamera, die entweder Video an ein Smartphone überträgt oder Bilder auf Speicher aufzeichnet.

Filmstudios nutzen High-End-Drohnen für Großproduktionen. Doch Fortschritte im Bereich „Computer Vision“ machen Kameras zu mehr als nur Nutzlast oder Pilotenhilfe. Die Drohnen der Zukunft werden Kameras nutzen, um die Welt um sich herum zu sehen und diese Informationen zum autonomen Steuern zu verwenden.

Drohnen werden zunehmend fähig, ohne Hilfe eines menschlichen Piloten oder sogar ohne GPS zu navigieren, was eine leistungsstarke neue Fähigkeit entstehen lässt: Drohnen, die zusammenarbeiten. Drohnenschwärme bestanden bisher aus Teams, die GPS und einen zentralen Controller nutzten, um die Position jedes Einzelnen in der Gruppe zu bestimmen.

Hochmoderne Forschung hat jedoch Drohnen hervorgebracht, die ihre eigenen Bordsensoren und sogar ihre Kameras nutzen, um andere Drohnen zu erkennen und in Formation zu fliegen. Bald könnte es üblich sein, Teams von autonomen Drohnen als Rettungsschwimmer, zur Pflanzenpflege oder in Suchformationen zur Unterstützung von Katastrophenhilfe zu sehen.

Technologie mit globaler Wirkung

Drohnen scheinen jetzt überall zu sein. Sie drehen Filme, spielen in Filmen mit, helfen beim Immobilienverkauf, übertragen Sport, schaffen neue Sportarten, arbeiten auf Farmen und Fabriken, jagen andere Drohnen und werden bald vielleicht Pakete ausliefern. Mit verbesserten Materialien, KI und Mikrocontrollern werden Drohnen weiterhin eine breite Palette von Branchen revolutionieren.

Die Zukunft der Drohnen

Drohnen werden täglich beliebter und revolutionieren die Art, wie die Welt arbeitet und spielt. Die in Drohnen verwendeten Materialien werden ausgewählt, um Leistung mit hochfesten Rahmen und hohen Batteriekapazitäten zu steigern, während das Gewicht minimiert wird.

Die Minimierung des Drohngewichts maximiert die Leistung, sei es, einen Kinodrohne längere Drehs zu ermöglichen oder eine Renn-Drohne noch wendiger zu machen. Drohnen werden auch ständig intelligenter, und es dauert vielleicht nicht mehr lange, bis autonome Drohnen ein fester Bestandteil des Alltags geworden sind.