الهيدروجين في الحالة الصلبة للطائرات بدون طيار: نهج جديد للرحلات الجوية طويلة المدى

في العديد من مهام الطائرات بدون طيار، لم تعد مدة الطيران مقيدة بالطائرة نفسها، بل أصبحت مقيدة بكمية الطاقة القابلة للاستخدام التي يمكن حملها ونقلها وتجديدها في الميدان.

قد تقوم طائرة بدون طيار نموذجية تعمل بالبطارية برحلة استطلاع أو تفتيش قصيرة، ثم تحتاج إلى استبدال البطارية أو إعادة شحنها لفترة طويلة قبل أن تعود إلى الجو.

أما بالنسبة للعمليات التي تتم بعيدًا عن البنية التحتية المرتبطة بشبكة الكهرباء، فإن هذا يخلق مشكلة أكبر:

التحدي لا يقتصر على مدة الرحلة فحسب، بل يكمن في استدامة المهمة.

الهيدروجين في الحالة الصلبة للطائرات بدون طيار يقدم نهجًا مختلفًا لزيادة مدة استمرار المهام، لا سيما عندما تكون الطاقة الميدانية المحمولة وشحن البطاريات والنشر عن بُعد أمورًا مهمة.

من خلال الجمع بين تخزين الهيدروجين في وحدات مدمجة وتوليد الطاقة باستخدام خلايا الوقود، فإن أنظمة مثل SOLIDHYDRO HYDRA-M يمكنها دعم الشحن الميداني وعمليات الطائرات بدون طيار المطولة دون الاعتماد كليًّا على مخزونات ضخمة من بطاريات الليثيوم الاحتياطية.

مشكلة استمرارية الطيران للطائرات بدون طيار: زيادة عدد البطاريات ليست الحل دائمًا

لا تزال بطاريات الليثيوم أيون تمثل حلاً فعالاً للعديد من تطبيقات الطائرات بدون طيار.

ومع ذلك، فإن زيادة مدة الطيران بمجرد إضافة المزيد من البطاريات ينطوي على مفاضلة جوهرية بين الوزن والأداء.

زيادة سعة البطارية تعني:

1. زيادة وزن الطائرة
2. يلزم مزيد من الطاقة للطيران
3. انخفاض سعة الحمولة
4. زيادة استهلاك الطاقة
5. تناقص العائدات في مجال التحمل العملي

ويكتسب هذا الأمر أهمية خاصة بالنسبة للطائرات بدون طيار التي تحمل:

• كاميرات EO/IR
• ليدار
• معدات الاتصالات
• أجهزة استشعار رسم الخرائط
• الحمولات الأخرى للمهمة

في هذه التطبيقات، يجب تقييم نظام الطاقة كجزء من بنية المهمة بأكملها، وليس فقط بناءً على سعة البطارية.

نهج مختلف: الطاقة الميدانية التي تعمل بالهيدروجين

تقدم خلايا الوقود الهيدروجينية مسارًا مختلفًا لتوليد الطاقة.

بدلاً من تخزين كل الطاقة اللازمة للمهمة داخل حزمة بطاريات كبيرة، يتم تحويل الهيدروجين إلى كهرباء عبر خلية وقود.

فيما يتعلق بعمليات الطائرات بدون طيار، ينتج عن ذلك بنيتان عمليتان.

1. الشحن الأرضي المحمول

يظل نظام خلايا الوقود على الأرض ويعمل كـ مصدر طاقة محمول لشحن بطاريات الطائرات بدون طيار.

يمكن للطائرة بدون طيار أن تواصل الطيران أثناء شحن بطارية أخرى.

وهذا يؤدي إلى دورة تشغيلية بسيطة:

الرحلة → استبدال البطارية → الشحن على الأرض → الرحلة التالية

وتكمن الميزة في أن المشغل لا يحتاج إلى حمل عدد كافٍ من البطاريات المشحونة بالكامل لتغطية مدة المهمة بأكملها.

2. نظام الدفع الهجين بخلايا الوقود

كما يمكن دمج خلية الوقود مباشرةً في نظام نقل الحركة للطائرة بدون طيار.

في هذه البنية:

خلية الوقود → طاقة مستمرة

بطارية التخزين المؤقت → الطاقة القصوى

توفر خلية الوقود طاقة ثابتة نسبيًا أثناء الطيران بسرعة ثابتة، بينما تتولى البطارية التعامل مع الأحمال العابرة الأعلى، مثل الإقلاع والمناورة.

يمكن أن تكون هذه البنية ذات أهمية خاصة لمنصات الطائرات بدون طيار ذات القدرة على التحليق لفترات طويلة، حيث يكون الطلب المستمر على الطاقة أكثر قابلية للتنبؤ.

للاطلاع على بنية تزويد الطاقة للطائرات بدون طيار (UAV) المثبتة على متن مركبات SOLIDHYDRO، انظر نظام خلايا الوقود الهيدروجينية HYDRA-G بقدرة 3 كيلوواط.

ما هو تخزين الهيدروجين باستخدام هيدريد المعادن في الحالة الصلبة؟

يختلف تخزين الهيدريد المعدني في الحالة الصلبة عن التخزين التقليدي للهيدروجين المضغوط. وللحصول على شرح أكثر تفصيلاً لأنظمة الهيدروجين في الحالة الصلبة والمصطلحات المتعلقة بها، يرجى الاطلاع على دليلنا الخاص بـ بطاريات الهيدروجين ذات الحالة الصلبة.

بدلاً من تخزين الهيدروجين بشكل أساسي كغاز مضغوط في أسطوانة عالية الضغط، يتم امتصاص الهيدروجين داخل مادة هيدريد معدنية.

على مستوى النظام، يوفر هذا نهجًا مختلفًا لتخزين الهيدروجين والتعامل معه.

وتشمل الخصائص الرئيسية ما يلي:

• تخزين الهيدروجين في الحالة الصلبة
• انبعاث الهيدروجين عند الضغط المنخفض
• نظام نشر مدمج يعتمد على الخراطيش
• لا يعتمد على أسطوانات الهيدروجين التقليدية عالية الضغط كوسيلة للتخزين

تُعد هذه التكنولوجيا مثيرة للاهتمام بشكل خاص في العمليات الميدانية، حيث يمكن تصميم مكون تخزين الهيدروجين بحيث يعتمد على استبدال الخراطيش المحمولة بدلاً من البنية التحتية التقليدية لإعادة التزود بالوقود تحت الضغط العالي.

يُوصف مفهوم التخزين الأساسي في المقالة الأصلية بأنه يتم احتجاز الهيدروجين داخل بنية سبيكة معدنية، ثم يتم إطلاقه عند تشغيل النظام.

لماذا يُعد الهيدروجين الصلب الخيار الأمثل للعمليات الميدانية للطائرات بدون طيار

1. كثافة طاقة عالية لتوفير الطاقة الميدانية المحمولة

تم تصميم HYDRA-M استنادًا إلى مصدر طاقة هيدروجين صلب عالي الكثافة.

يحدد التموضع الحالي للمنتج ما يلي:

>1200 واط·ساعة/كيلوغرام من كثافة طاقة الوقود

يصف المقال الأصلي... خرطوشة سعة 1.35 كجم توفر طاقة تكفي لحوالي 27 ساعة عند حمل كهربائي يبلغ 60 واط.

وهذا ما يجعل النظام مثيرًا للاهتمام بشكل خاص بالنسبة لـ دعم الطاقة للطائرات بدون طيار الأرضية, ، حيث يمكن أن يؤدي تقليل كمية مخزون البطاريات الاحتياطية إلى تحسين القدرة على التنقل في الميدان.

والفرق المهم هو أنه ينبغي فهم هذا الرقم على أنه رقم كثافة الطاقة في الوقود, ، بدلاً من مقارنتها مباشرةً بكثافة الطاقة الكلية على مستوى النظام لحزمة بطاريات طائرة بدون طيار.

هذا التمييز يجعل المقارنة الفنية أكثر مصداقية بالنسبة للقراء من المهندسين.

2. انخفاض البصمة الصوتية والحرارية

قد تُجرى العمليات الميدانية للطائرات بدون طيار في بيئات نائية أو حساسة، حيث قد يشكل ضجيج المولدات والحرارة عوائق تشغيلية.

يُوصى باستخدام HYDRA-M في الحالات التالية:

ضوضاء تشغيل ≤45 ديسيبل （القوة الصامتة: كيف تعيد خلايا الوقود التي لا يتجاوز صوتها 45 ديسيبل تعريف هذا المجال）

ومجموعة خلايا وقود PEMFC تعمل في ظل الظروف التالية:

80 درجة مئوية

يصف المقال الأصلي نهجًا متكاملًا قائمًا على انتشار الحرارة لإدارة الحرارة المهدرة.

بدلاً من وصف النظام بأنه “غير مرئي”، هناك طريقة أكثر دقة من الناحية الفنية لتوصيف هذه الميزة، وهي:

انخفاض مستوى الضوضاء وتقليل البصمة الحرارية مقارنةً بالمولدات التقليدية التي تعمل بالاحتراق.

وهذا يجعل HYDRA-M مناسبًا بشكل خاص لـ:

• المراقبة عن بُعد
• العمليات الميدانية للطائرات بدون طيار
• نقاط مراقبة مؤقتة
• الاستشعار عن بُعد
• عمليات النشر خارج الشبكة

3. التشغيل في الطقس البارد

تُعد درجة الحرارة عاملاً مهمًا آخر يجب أخذه في الاعتبار عند إجراء عمليات الطائرات بدون طيار في الميدان.

تتضمن المواصفات الأصلية لنظام HYDRA-M إمكانية التشغيل حتى: −40 درجة مئوية （40 تحت الصفر: مقارنة بين خلايا الوقود ذات التشغيل البارد والليثيوم والديزل）

ويصف نهجًا حراريًا ذاتي الاستدامة يتم فيه استخدام حرارة النظام لدعم إطلاق الهيدروجين.

بالنسبة لمشغلي الطائرات بدون طيار الذين يعملون في بيئات باردة، يمكن أن يشكل هذا بديلاً عن الاعتماد الحصري على أنظمة البطاريات التي قد تتأثر سعتها المتاحة وأداء شحنها بانخفاض درجات الحرارة.

ومع ذلك، فإن الأداء الفعلي للطائرات بدون طيار يظل مرهونًا بالطائرة ككل، والبطارية، وتكوين خلايا الوقود، وظروف المهمة.

الهيدروجين في الحالة الصلبة مقابل الهيدروجين المضغوط التقليدي

فيما يتعلق بالعمليات الميدانية للطائرات بدون طيار، فإن طريقة تخزين الهيدروجين لا تقل أهمية عن خلية الوقود نفسها.

الميزة الرئيسية لا تكمن فقط في “كمية أكبر من الهيدروجين”.”

إنها إمكانية إنشاء سلسلة توريد طاقة الهيدروجين المحمولة في الأماكن التي لا تتوفر فيها البنية التحتية التقليدية لتزويد السيارات بالهيدروجين.

HYDRA-M كمحطة طاقة ميدانية للطائرات بدون طيار

أحد أكثر التطبيقات العملية لنظام HYDRA-M لا يتمثل بالضرورة في تركيب نظام خلايا الوقود مباشرةً على الطائرة.

بل يمكن أن يكون بمثابة محطة طاقة أرضية محمولة للطائرات بدون طيار.

لنفترض وجود فريق عمليات متقدم يضم:

• نظام HYDRA-M واحد
• حزم بطاريات متعددة للطائرات بدون طيار
• خراطيش الهيدروجين ذات الحالة الصلبة

قد تبدو دورة التشغيل النموذجية كما يلي:

الخطوة 1 — إطلاق الطائرة بدون طيار

تقوم الطائرة بدون طيار بمهمة الاستطلاع أو التفتيش.

الخطوة 2 — استبدال البطارية

تعود الطائرة بدون طيار ويتم استبدال البطارية التي نفد شحنها.

الخطوة 3 — شحن جهاز HYDRA-M

يبدأ جهاز HYDRA-M في شحن البطارية التي نفد شحنها.

الخطوة 4 — عودة الطائرة بدون طيار إلى الطيران

تنطلق الطائرة بدون طيار مرة أخرى باستخدام البطارية الثانية.

الخطوة 5 — دورة الطاقة المستمرة

تستمر البطارية المنهكة في الشحن أثناء تحليق الطائرة بدون طيار.

يؤدي هذا إلى تغيير نموذج المهمة من:

البطارية → الرحلة → إعادة الشحن → الانتظار

إلى:

البطارية → الرحلة → التبديل → الرحلة → الشحن الأرضي المستمر

يصف المقال الأصلي هذا المفهوم بأنه عملية الشحن والتشغيل الجوي بشكل متوازي.

من مدة الطيران إلى مدة المهمة

هذا التمييز بالغ الأهمية.

ليس من الضروري أن تظل الطائرة بدون طيار محلقة في الجو بشكل مستمر لتنفيذ مهمة طويلة الأمد.

ما يهم هو:

إلى متى يمكن أن تستمر عملية الطائرة بدون طيار بأكملها قبل أن تنفد سلسلة إمدادات الطاقة؟

على سبيل المثال:

قد تبدو رحلة طيران مدتها 40 دقيقة قصيرة.

ولكن إذا تمكنت الطائرة من الهبوط واستبدال بطاريتها والعودة إلى الطيران، بينما يتم إعادة شحن البطارية المستنفدة بواسطة نظام خلية وقود هيدروجينية محمولة، فسيتمكن فريق العمليات من الحفاظ على دورة مهمة أطول بكثير.

وهنا يتجاوز جهاز «HYDRA-M» كونه مجرد مولد تقليدي يعمل بخلايا الوقود.

يصبح بنية تحتية طاقة متنقلة لعمليات الطائرات بدون طيار.

HYDRA-M لعمليات الطائرات بدون طيار طويلة الأمد

صُممت سلسلة HYDRA-M من شركة SOLIDHYDRO لتستند إلى تقنية تخزين الهيدروجين باستخدام هيدريدات المعادن في الحالة الصلبة، وتوليد الطاقة عبر خلايا الوقود PEM المحمولة.

وتشمل الخصائص الرئيسية ما يلي:

• مصدر طاقة محمول بقدرة 60 واط / 120 واط
• >كثافة طاقة الوقود تبلغ 1200 واط/ساعة لكل كيلوغرام
• تخزين الهيدروجين باستخدام هيدريدات المعادن في الحالة الصلبة
• بنية التخزين ذات الضغط المنخفض
• ضوضاء تشغيل ≤45 ديسيبل
• القدرة على العمل عند درجة حرارة تصل إلى −40 درجة مئوية
• استبدال سريع للخرطوشة
• النشر الميداني المتنقل

هذه الخصائص تجعل نظام HYDRA-M مناسبًا بشكل خاص للتطبيقات التي تتجاوز فيها عمليات الطائرات بدون طيار حدود شبكات الكهرباء أو قدرات التزويد بالبطاريات التقليدية.

شركة SOLIDHYDRO HYDRA-M 60 واط/120 واط تجمع هذه السلسلة بين تقنية تخزين الهيدروجين باستخدام هيدريدات المعادن في الحالة الصلبة وتوليد الطاقة عبر خلايا الوقود PEM المحمولة، وذلك لتطبيقات الطاقة الميدانية.

متى ينبغي لمشغلي الطائرات بدون طيار التفكير في استخدام الهيدروجين الصلب؟

لا يُعد الهيدروجين في الحالة الصلبة بالضرورة الحل الأمثل لكل طائرة بدون طيار.

بالنسبة للمهام القصيرة ذات مسارات الطيران التي يمكن التنبؤ بها، تظل بطاريات الليثيوم التقليدية خيارًا عمليًا للغاية.

يصبح الهيدروجين خيارًا أكثر جاذبية عندما تتطلب المهمة ما يلي:

قدرة تشغيلية طويلة الأمد

رحلات جوية متكررة على مدى ساعات أو أيام عديدة.

توفر حمولة أكبر

تقليل كمية مخزون البطاريات الاحتياطية التي يتم نقلها إلى الميدان.

النشر عن بُعد

العمليات التي لا تتوفر فيها البنية التحتية لشحن المركبات من الشبكة الكهربائية.

التشغيل في الطقس البارد

المهام التي تُنفَّذ في ظروف بيئية صعبة.

طاقة أرضية ذات بصمة منخفضة

الحالات التي يُعد فيها ضجيج المولد والانبعاثات الحرارية أمراً غير مرغوب فيه.

هذا النهج القائم على الأهداف أكثر فائدة من مجرد الادعاء بأن الهيدروجين “أفضل” بشكل عام من البطاريات.

بنية طاقة عملية للطائرات بدون طيار

في العديد من عمليات النشر الميداني، قد يكون الحل الأكثر عملية هو نظام هجين:

                 مهمة الطائرة بدون طيار
 │
 ▼
 ┌──────────────┐
 │ بطارية الطائرة بدون طيار  │
 └──────┬───────┘
                     │
 الرحلة
 │
 ▼
 استبدال البطارية
 │
 ▼
 طاقة أرضية HYDRA-M
 │
 ▼
 إعادة شحن البطارية
 │
 └──────────► الرحلة التالية

تفصل هذه البنية بين:

طاقة الطيران

من

توليد الطاقة في الميدان

ويتيح تحسين كل مكون ليؤدي دوره المحدد.

الخلاصة: تطوير مهام للطائرات بدون طيار ذات قدرة تحمل أطول

لا يعتمد مستقبل قدرة الطائرات بدون طيار على التحليق لفترات طويلة بالضرورة على حمل بطارية أكبر.

إن الأمر يتعلق ببناء عالم أفضل النظام البيئي للطاقة المحيط بالطائرة.

توفر تقنية هيدريد المعادن ذات الحالة الصلبة مسارًا ممكنًا من خلال الجمع بين:

• تخزين الهيدروجين عالي الكثافة
• طاقة خلايا الوقود المحمولة
• انخفاض مستوى الضوضاء
• انخفاض الناتج الحراري
• اللوجستيات الميدانية للخراطيش
• القدرة على العمل في البيئات القاسية

بالنسبة لمشغلي الطائرات بدون طيار، يمكن أن يعمل نظام HYDRA-M كـ مصدر طاقة أرضي محمول التي تعزز استدامة المهام دون الحاجة إلى بنية تحتية تقليدية للشبكة الكهربائية.

وبالتالي، لم يعد السؤال الأساسي يقتصر على:

“إلى متى يمكن للطائرة بدون طيار أن تحلق؟”

وهو:

“إلى متى يمكن أن تستمر المهمة؟”

وهنا يبدأ الهيدروجين الصلب في تقديم نهج مختلف جذريًا لتزويد الطائرات بدون طيار بالطاقة.

الأسئلة الشائعة:

س: هل تم تصميم نظام HYDRA-M لتزويد الطائرات بدون طيار بالطاقة مباشرةً؟

ج: يمكن لنظام HYDRA-M دعم عمليات الطائرات بدون طيار باعتباره نظام شحن أرضي محمول. ويعتمد التكامل المباشر مع هيكل الطائرة على بنية الطائرة بدون طيار، ومتطلبات الطاقة، والوزن المسموح به، وتكوين نظام الدفع.

س: كيف يختلف تخزين الهيدروجين في الحالة الصلبة عن تخزين الهيدروجين المضغوط؟

ج: تعمل أنظمة هيدريد المعادن ذات الحالة الصلبة على تخزين الهيدروجين داخل مادة هيدريد معدنية، بدلاً من الاعتماد بشكل أساسي على تخزين الغاز المضغوط تحت ضغط عالٍ.

س: هل يمكن لنظام HYDRA-M شحن بطاريات الطائرات بدون طيار في الميدان؟

ج: نعم. أحد نماذج الاستخدام المقترحة هو استخدام HYDRA-M كمصدر طاقة أرضي محمول لإعادة شحن بطاريات الطائرات بدون طيار بعيدًا عن البنية التحتية لشبكة الكهرباء.

س: هل الهيدروجين في الحالة الصلبة مناسب لعمليات الطائرات بدون طيار في الطقس البارد؟

ج: تم تصميم نظام HYDRA-M ليعمل حتى درجة حرارة تصل إلى −40 درجة مئوية. وسيعتمد الأداء الفعلي للطائرة بدون طيار على نوع الطائرة، والبطارية، وتكوين خلية الوقود، والظروف البيئية.

س: هل تعد بطاريات الهيدروجين دائمًا أفضل من بطاريات الليثيوم في الطائرات بدون طيار؟

ج: لا. تظل بطاريات الليثيوم مناسبة جدًّا للعديد من مهام الطائرات بدون طيار قصيرة المدة. أما الهيدروجين الصلب فيصبح خيارًا أكثر جاذبية عندما تكون مدة التشغيل الطويلة، أو الطلعات المتكررة، أو الشحن عن بُعد، أو الظروف البيئية الصعبة من العوامل المهمة.

مزيد من القراءة

دليل الطاقة المحمولة باليد بقدرة 60 واط

بطارية الوقود التكتيكية

القوة الصامتة: كيف تعيد خلايا الوقود التي لا يتجاوز مستوى ضجيجها 45 ديسيبل تعريف العمليات الميدانية

هيدريد المعادن في الحالة الصلبة: المعيار القياسي لتوفير الطاقة الآمنة في الميدان