Mit Ionen betriebene Motoren transportieren derzeit Satelliten außerhalb unseres Sonnensystems, aber hier auf der Erde könnte dieser futuristische Antrieb Miniaturroboter antreiben.
Daniel Drew, Ingenieurstudent an der University of California in Berkeley, fand sich inspiriert, Miniaturroboter aus der Science-Fiction zu studieren, die er als Kind verschlang.
Von Insekten inspirierte Miniaturroboter könnten eines Tages verwendet werden, um nach einer Katastrophe auf engstem Raum nach Überlebenden zu suchen, die Luftqualität zu überwachen und sogar als Bestäuber für echte Insekten zu fungieren, die aus einem Gebiet gewischt wurden.
"Stellen Sie sich eine Welt vor, in der wir den sensorischen Input jedes einzelnen Insekts auf der Erde nutzen können", sagte Drew. "Das ist die Art von hochauflösenden Daten, die wir bekommen können."
Aber diese bioinspirierten Prototypen schienen wahrscheinlich zu funktionieren, sagte Drew, und sie stießen auf ein Problem, mit dem ihre realen Inspirationen nicht konfrontiert waren - Energie. Im Gegensatz zu einem Insekt benötigt ein Miniaturroboter eine Stromquelle, und das bedeutet normalerweise eine Art Batterie. Aber Batterien können nur so klein werden, und wenn ein Mikroroboter mit einer größeren, leistungsstärkeren Batterie ausgestattet wird, muss der gesamte Roboter größer werden, was den Zweck zunichte macht.
Drew sagte, sein Berater sei jedoch der Meinung, dass eine klassische Lösung dieses moderne Dilemma lösen könnte - Ionen-Triebwerke. Diese Motoren gehen auf die Experimente des Raketenpioniers Robert Goddard zurück und nutzen den einfachen elektrostatischen Effekt, den die meisten Menschen kennen, die zusammengeklebte Socken aus dem Trockner gezogen haben. Im Wesentlichen funktioniert der Ionenantrieb, indem ein Elektron in eine Kammer geschossen wird, die mit einer Art Gas gefüllt ist. Wenn es auf ein Atom des Gases trifft, stößt dieses Elektron ein Elektron vom Atom ab, wodurch es positiv geladen wird. Ein negativ geladenes Gitter nahe dem Ende der Kammer zieht dann dieses Atom aus dem Triebwerk heraus. Die Kraft dieses Atoms, das aus dem Triebwerk fliegt, treibt sein Fahrzeug vorwärts.
Diese Kraft ist jedoch so klein wie ein Atom, und Ionenstrahlruder sind im Vergleich zur Leistung von kraftstoff- oder batteriebetriebenen Motoren blass. Versuche, Ionenstrahlruder so zu skalieren, dass sie den Triebwerken in Star Wars ähneln, oder sogar mit Hoverboards zu arbeiten, blieben aufgrund der schwachen Kraft erfolglos. Ionen-Triebwerke wurden in das Vakuum des Weltraums versetzt, wo Satelliten, die sie verwenden, keinem Luftwiderstand ausgesetzt sind und die Effizienz wichtiger ist als die Geschwindigkeit.
Drew erkannte jedoch, dass Ionenstrahlruder trotz aller Makrofehler im Mikromaßstab Wunder wirken konnten.
Er entwarf kleine Versionen von Ionentriebwerken und begann, diese in Miniaturroboter zu integrieren. Diese "ionocraft" sind ungefähr einen halben Zoll im Quadrat und fliegen über eine Leine. Zukünftige Versionen könnten winzige Bordbatterien verwenden, um bis zu 10 Flugminuten zu schaffen, und Drew hofft, dass sie noch effizienter werden. Er demonstrierte einen seiner Roboter auf einer Konferenz im vergangenen Monat in Montreal, Kanada. Derzeit kann das Fahrzeug nicht gesteuert werden, aber Drew und sein Team sind in der Lage, die Flughöhe zu kontrollieren, was es zu einem einfachen Quadcopter mit vier Motoren macht, sagt er. Laut Drew, der keine beweglichen Teile und keinen lautlosen Antrieb hat, haben die Zuschauer das Ionocraft als "gruselig" und "wie ein UFO" beschrieben.
Drew arbeitet nun daran, den Schub seiner Mikroroboter zu verbessern, damit sie sich schneller und leistungsfähiger bewegen, und darüber nachzudenken, wie diese Ionen-Flugzeuge eines Tages gesteuert werden und wie Menschen mit ihnen psychisch interagieren, wenn diese Geräte in den Alltag eintreten . Er stellt sich VR-Simulationen vor, die Menschen mit einem Schwarm dieser Mikroroboter paaren würden, denen man begegnen könnte.
"Die Mikrorobotik ist ein so junges Gebiet", sagte Drew. "Man muss jeden Aspekt vorantreiben, um Fortschritte zu erzielen."
In einer früheren Version dieses Artikels wurde fälschlicherweise angegeben, dass das Ionocraft über eine Batterie fliegt. Gegenwärtig ist das Fahrzeug an eine Stromquelle gebunden, zukünftige Versionen können jedoch Batteriestrom verbrauchen. Smithsonian.com bedauert den Fehler.
