Palivové články udrží dron ve vzduchu řadu hodin

Špatné vlastnosti lithiových akumulátorů asi není potřeba moc rozebírat, stačí připomenout malou výdrž, nízkou životnost, vysokou cenu a v neposlední řadě sklony ke vzplanutí, z nichž vyplývají problémy s leteckou přepravou. Ještě ke všemu mají velký nebo dokonce největší podíl na hmotnosti stroje.

Naději na zlepšení představuje prototyp kvadrokoptéry Hycopter V1 singapurské společnosti H3 Dynamics, která vydržela létat neuvěřitelné 4 hodiny. Umožnily jí to palivové články.

"Vodíkový pohon zaručuje podstatně větší dolet a výdrž ve vzduchu, než mají současné malé drony s lithiovými akumulátory," tvrdí šéf vývojového týmu Andrew Gong. "V budoucnosti předpokládáme využití dronů s palivovými články v zemědělství, při kontrole liniových staveb a v mnoha dalších oborech."

Jak to funguje

Princip palivového článku popsal už roku 1839 švýcarský vědec Christian Friedrich Schönbein. Téhož roku podle jeho práce postavil Sir Wiliam Grove z Walesu funkční prototyp. Princip je jednoduchý; v podstatě jde o opak rozkladu vody elektrickým proudem. V palivovém článku je kyslík nebo vzduch přiváděn na katodu, zatímco vodík nebo uhlovodík na anodu. Tam se za pomoci katalyzátoru atom vodíku rozpadá na proton a elektron. Kladně nabitý proton projde článkem (buď speciální membránou, nebo elektrolytem s příslušným složením), ale záporný elektron se skrz něj nedostane a musí cestovat jinudy - elektrickým obvodem. Elektrony se pak spojí s protony a atomy vodíku se na katodě slučují s kyslíkem za vzniku vody.

Palivové články se používají v nejaderných ponorkách, našly uplatnění v lunárním projektu Apollo a stále častěji slouží i k pohonu elektromobilů. Při použití v atmosféře (což je kromě zmíněných aut i případ dronů a jiných elektrických letadel) si - stejně jako spalovací motory - berou jednu složku pohonné hmoty z okolního vzduchu, což výrazně zlepšuje jejich parametry oproti akumulátorům. Energie se v nich totiž neskladuje, ale vyrábí, přičemž druhou složkou nemusí nutně být obtížně skladovatelný vodík, ale i nějaký běžný a laciný kapalný uhlovodík, třeba alkohol.

Účinnost současných palivových článků se pohybuje mezi 40 až 60 procenty, tedy při vysoké účinnosti bezkartáčových elektromotorů (přes 80 procent) lepší než u spalovacích motorů. Navíc mohou být lehké, což je i důvod, proč se dostaly do kosmického programu Apollo.

Dnešní typy ale mají také špatné vlastnosti: jako katalyzátor se používá drahá platina a další ušlechtilé kovy, jsou náročné na čistotu přiváděných látek a zahřívají se na vysoké teploty. V současnosti proto vědci zkoumají biochemické cykly chemotrofních bakterií získávajících energii z vodíku - i bez platiny a za studena, protože jim stejným způsobem posloužily hydrogenázy - speciální enzymy na bázi uhlovodíků. Elektrody obalené hydrogenázou už v laboratorních podmínkách vyrobily napětí, k praktickému použití je ale ještě daleko.

Létání s vodíkem

Snaha přizpůsobit palivové články pro drony začala okolo roku 2013 a v současnosti se tím zabývá řada vědeckých pracovišť a vývojových laboratoří. Například tým z University of Sydney vyvinul pohonnou jednotku, která kombinuje palivový článek, superkapacitory a klasickou lithiovou baterii (Triple Hybrid Propulsion). Její schopnosti demonstrovali na bezpilotním letadle, které vydrželo ve vzduchu tři hodiny.

I v tomto týmu byl Andrew Gong, který úspěšný let komentoval slovy: "Takový systém se hodí jak pro bezpilotní letadla, tak pro stroje dopravující osoby. Důležité je i to, že na rozdíl od klasických letadel se jedná o naprosto čistý ekologický pohon, protože palivový článek produkuje pouze vodní páru."

Čistý a tichý provoz je také výhoda oproti těm průmyslovým dronům, u nichž dlouhou výdrž ve vzduchu umožňuje kombinace spalovacího motoru s elektrickým generátorem.

V pokusných dronech s palivovými články byly superkapacitory (o nich píšeme jinde) speciálně vyvinuté firmou YUNASKO pro použití v bezpilotních prostředcích. Jde o moduly, z nichž každý má kapacitu 7 F a napětí 25 V. Jejich úkolem je dodávat elektřinu při potřebě špičkového odběru (start, rychlé stoupání, prudké manévry atd). Lithiové akumulátory vyrovnávají odběry v běžném letovém režimu a slouží i jako rezerva pro případ poruchy.

Hycopter má hmotnost 5 kilogramů, z níž velká část připadá na dva duté válce, které jsou základním prvkem konstrukce dronu a současně i zásobníky vodíku. Ten je v nich stlačen na 5,07 psi a náplň pro jeden let má hmotnost 120 gramů. Přitom dodá dronu stejné množství energie jako lithiové akumulátory o hmotnosti 3 kilogramy. U prototypu jsou válce zhotovené z průhledného akrylátu, u komerční verze budou z uhlíkového kompozitu.

Hycopter unese až kilogram užitečného nákladu a při plném zatížení se výdrž ve vzduchu sníží na 2,5 hodiny - ale i o tom se může většině klasických dnešních dronů jen zdát. O termínu zahájení prodeje a ceně výrobce rozhodne na základě průzkumu trhu.

Jan A. Novák