แบตเตอรี่โดรนใช้งานได้นานเท่าใด

1.การนําเสนอ

ความทนทานของโดรนเป็นหนึ่งในตัวชี้วัดที่สำคัญที่สุดซึ่งบ่งบอกถึงคุณค่าในการใช้งานจริงของมัน ไม่ว่า UAV จะถูกนำไปใช้สำหรับการถ่ายทำภาพยนตร์เชิงศิลปะ การตรวจสอบพื้นที่ทางการเกษตร การตรวจสอบโครงสร้างพื้นฐาน หรือการตอบสนองต่อเหตุฉุกเฉิน ความสามารถในการคงอยู่ในอากาศของมันก็จะกำหนดประสิทธิภาพในการปฏิบัติภารกิจให้สำเร็จลุล่วง แม้ระบบขับเคลื่อนและระบบอัจฉริยะบนตัวเครื่องจะพัฒนาไปอย่างรวดเร็ว ข้อจำกัดด้านแบตเตอรี่ยังคงเป็นคอขวดหลักสำหรับโดรนไฟฟ้าส่วนใหญ่ ดังนั้น การยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่จึงไม่ใช่เพียงการปรับปรุงจุดเดียว แต่เป็นความท้าทายในการเพิ่มประสิทธิภาพระดับระบบ (systems-level optimization) ซึ่งเกี่ยวข้องกับหลายด้าน ได้แก่ เคมีของแบตเตอรี่ แอโรไดนามิกส์ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และกลยุทธ์การปฏิบัติการบทความนี้นำเสนอการอภิปรายที่ได้รับการจัดโครงสร้างใหม่อย่างลึกซึ้งและเสริมด้วยเนื้อหาเชิงเทคนิคอย่างเข้มข้นเกี่ยวกับวิธีการต่าง ๆ ที่สามารถยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่ของโดรนได้อย่างมีน้ำหนัก

2. เคมีของแบตเตอรี่และการปรับปรุงการจัดเก็บพลังงาน

รากฐานของเวลาบินที่ยาวนานขึ้นอยู่ที่แหล่งพลังงานเอง แม้ว่าแบตเตอรี่ลิเธียม-โพลีเมอร์ (LiPo) และลิเธียม-ไอออน (Li-ion) จะครองส่วนแบ่งตลาดยานบินไร้คนขับ (UAV) แต่ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่เหล่านี้อาจได้รับผลกระทบอย่างมากจากองค์ประกอบของวัสดุและโครงสร้างภายใน แบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนรุ่นใหม่ เช่น NMC และ NCA มีความหนาแน่นพลังงานเชิงมวล (gravimetric energy density) สูงกว่าและพฤติกรรมทางความร้อนดีขึ้นเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ LiPo รุ่นก่อนหน้า สารเคมีเหล่านี้ช่วยให้โดรนสามารถเก็บพลังงานได้มากขึ้นโดยไม่เพิ่มน้ำหนัก ซึ่งส่งผลโดยตรงให้ภารกิจดำเนินการได้นานขึ้น
นอกเหนือจากระบบลิเธียมแบบดั้งเดิมแล้ว เทคโนโลยีรุ่นต่อไปกำลังเริ่มปรากฏขึ้น ตัวอย่างเช่น แบตเตอรี่แบบโซลิดสเตต (solid-state batteries) แทนสารอิเล็กโทรไลต์แบบของเหลวซึ่งติดไฟได้ง่าย ด้วยตัวนำของแข็ง ซึ่งช่วยเพิ่มความหนาแน่นพลังงานสูงขึ้นและลดความเสี่ยงของการเกิดภาวะความร้อนล้น (thermal runaway) แบตเตอรี่ลิเธียม-ซัลเฟอร์ (lithium-sulfur batteries) แม้ยังมีข้อจำกัดด้านอายุการใช้งาน (cycle life) แต่ก็ให้ความหนาแน่นพลังงานสูงกว่าเซลล์ลิเธียม-ไอออนในปัจจุบันหลายเท่า ขณะที่เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน (hydrogen fuel cells) และแนวคิดแบตเตอรี่ลิเธียม-อากาศ (lithium-air) ก็เป็นทางเลือกในระยะยาวสำหรับโดรน UAV ที่ต้องการระยะบินต่อเนื่องสุดขีด (ultra-long-endurance UAVs) แม้เทคโนโลยีเหล่านี้ยังไม่แพร่หลายในเชิงพาณิชย์ แต่ก็สะท้อนทิศทางการพัฒนาระบบขับเคลื่อนโดรนในอนาคต

3. การปรับปรุงโครงสร้างและการลดน้ำหนัก

การลดมวลยังคงเป็นหนึ่งในวิธีที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดในการยืดเวลาบิน เนื่องจากพลังงานที่จำเป็นสำหรับการสร้างแรงยกเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนกับน้ำหนัก ความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์วัสดุทำให้สามารถผลิตโครงถ่ายของโดรนที่มีน้ำหนักเบาลงแต่แข็งแรงขึ้นได้ ขณะนี้ใช้วัสดุคอมโพสิตคาร์บอนไฟเบอร์ โพลิเมอร์ความแข็งแรงสูง และโลหะผสมแมกนีเซียมอย่างแพร่หลาย เพื่อลดมวลโครงสร้างโดยไม่ลดทอนความทนทาน
การลดน้ำหนักไม่จำกัดอยู่เพียงแค่โครงถ่ายเท่านั้น การทำให้ส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์มีขนาดเล็กลง—เช่น ตัวควบคุมการบิน โมดูล GPS กล้อง และระบบการสื่อสาร—ก็มีส่วนช่วยเพิ่มระยะเวลาการใช้งานเช่นกัน การรวมฟังก์ชันหลายประการไว้บนแผงวงจรเดียวกันช่วยลดความซับซ้อนของสายไฟและมวลรวมโดยรวม การปรับปรุงด้านอากาศพลศาสตร์ยังส่งเสริมประสิทธิภาพอีกด้วย แขนที่ออกแบบให้ลู่ลม พื้นผิวเรียบ และรูปร่างตัวถังที่ผ่านการปรับแต่งอย่างเหมาะสม ช่วยลดแรงต้าน ทำให้โดรนสามารถรักษาระดับความสูงได้โดยใช้พลังงานน้อยลง

4. ประสิทธิภาพของระบบขับเคลื่อน

ระบบขับเคลื่อนเป็นผู้ใช้พลังงานมากที่สุดในโดรนแบบมัลติโรเตอร์ ดังนั้นแม้การปรับปรุงเล็กน้อยก็สามารถยืดเวลาบินได้อย่างมีนัยสำคัญ การเลือกมอเตอร์จึงมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่ง มอเตอร์ที่มีความต้านทานภายในต่ำ แม่เหล็กคุณภาพสูง และค่า KV ที่เหมาะสม จะทำงานได้มีประสิทธิภาพมากขึ้นภายใต้ภาระงาน สำหรับโดรนที่มีน้ำหนักมาก มอเตอร์ขนาดใหญ่ที่หมุนด้วยความเร็วรอบต่ำมักให้อัตราส่วนแรงผลักต่อพลังงานที่ดีกว่า
การออกแบบใบพัดก็มีความสำคัญไม่แพ้กัน ใบพัดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่กว่าและหมุนด้วยความเร็วรอบต่ำมักสร้างแรงยกได้มีประสิทธิภาพมากกว่า รูปทรงของใบพัด มุมเอียง (pitch angle) และความแข็งแกร่งของวัสดุ ล้วนมีผลต่อสมรรถนะด้านอากาศพลศาสตร์ ตัวอย่างเช่น ใบพัดคาร์บอนไฟเบอร์สามารถคงรูปได้ดีกว่าใบพัดพลาสติกภายใต้ภาระงาน จึงลดการสูญเสียพลังงานที่เกิดจากการโก่งตัวของใบพัด ตัวควบคุมความเร็วอิเล็กทรอนิกส์ (ESC) ก็มีส่วนช่วยเพิ่มประสิทธิภาพเช่นกัน ESC รุ่นใหม่ที่ใช้เทคโนโลยีการควบคุมตามแนวสนามแม่เหล็ก (FOC) ทำให้มอเตอร์ทำงานได้เรียบเนียนยิ่งขึ้นและลดสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้า ส่งผลให้การใช้พลังงานโดยรวมมีประสิทธิภาพดีขึ้น

5. การจัดการพลังงานอัจฉริยะและการควบคุมการบิน

การปรับแต่งซอฟต์แวร์เป็นวิธีหนึ่งที่มักถูกมองข้ามแต่มีผลกระทบสูงต่อการยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่ ตัวควบคุมการบินขั้นสูงที่มาพร้อมอัลกอริธึมแบบปรับตัวได้สามารถปรับกำลังเอาต์พุตของมอเตอร์ตามเงื่อนไขแบบเรียลไทม์ เพื่อลดการใช้พลังงานที่ไม่จำเป็นลงอย่างมีประสิทธิภาพ ระบบควบคุมเชิงทำนายสามารถคาดการณ์ความผันผวนจากลมและชดเชยได้อย่างราบรื่น แทนที่จะตอบสนองด้วยการปรับแก้แบบกระทันหัน
การวางแผนเส้นทางการบินก็มีผลต่อการใช้พลังงานเช่นกัน การออกแบบภารกิจอย่างมีประสิทธิภาพควรหลีกเลี่ยงการเลี้ยวอย่างเฉียบคม การเปลี่ยนระดับความสูงอย่างกะทันหัน และการบินซ้ำซ้อนเกินความจำเป็น สำหรับงานแผนที่ (mapping) การปรับค่าความทับซ้อน (overlap) ให้เหมาะสมและการปรับความเร็วในการบินสามารถลดการใช้พลังงานได้อย่างมีนัยสำคัญ การลอยตัว (hovering) ซึ่งโดยธรรมชาติแล้วต้องใช้พลังงานสูงมากสำหรับโดรนแบบมัลติโรเตอร์ สามารถทำให้มีประสิทธิภาพมากขึ้นได้ผ่านอัลกอริธึมการทรงตัวที่ดีขึ้น ซึ่งช่วยลดการสั่นสะเทือนขนาดเล็ก (micro-oscillations)

6. ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมและการปฏิบัติงาน

แม้แต่ฮาร์ดแวร์ที่ล้ำสมัยที่สุดก็อาจทำงานได้ไม่เต็มประสิทธิภาพหากใช้งานอย่างไม่เหมาะสม สภาพแวดล้อมมีผลกระทบอย่างมากต่ออายุการใช้งานของแบตเตอรี่ อุณหภูมิต่ำจะชะลอปฏิกิริยาเคมีภายในแบตเตอรี่ลิเธียม ทำให้ความจุที่ใช้งานได้ลดลง ลมแรงจะบังคับให้โดรนต้องใช้พลังงานมากขึ้นในการคงตำแหน่งไว้ ดังนั้น การบินในสภาพอากาศที่ปานกลางจึงช่วยเพิ่มระยะเวลาการบินสูงสุด
การปรับสภาพแบตเตอรี่เป็นอีกปัจจัยสำคัญหนึ่ง การอุ่นแบตเตอรี่ล่วงหน้าให้อยู่ในช่วงอุณหภูมิที่เหมาะสมจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการปล่อยพลังงาน การหลีกเลี่ยงการเร่งคันเร่งอย่างรุนแรง การรักษาการเร่งที่ราบรื่น และการลดการเคลื่อนไหวที่ไม่จำเป็นทั้งหมด จะช่วยยืดระยะเวลาการบินให้นานขึ้น การจัดการน้ำหนักบรรทุกก็มีความสำคัญไม่แพ้กัน การถอดอุปกรณ์เสริมที่ไม่จำเป็นออก การใช้กล้องที่มีน้ำหนักเบา และการจัดสมดุลการกระจายมวล ล้วนช่วยลดพลังงานที่จำเป็นสำหรับการบินอย่างมั่นคง
การบำรุงรักษาแบตเตอรี่อย่างเหมาะสมช่วยยืดอายุการใช้งานทั้งในด้านประสิทธิภาพทันทีและสุขภาพโดยรวมในระยะยาว การจัดเก็บแบตเตอรี่ไว้ที่ระดับประจุบางส่วน การหลีกเลี่ยงการคายประจุลึก (deep discharge) และการตรวจสอบความต้านทานภายในเป็นระยะ จะช่วยรักษาความจุของแบตเตอรี่ไว้ได้ตามระยะเวลา

7. ระบบพลังงานทางเลือกสำหรับภารกิจที่ใช้เวลานาน

สำหรับการใช้งานที่ต้องการความทนทานในการบินนานกว่าที่แบตเตอรี่แบบดั้งเดิมจะให้ได้ ระบบพลังงานไฮบริดและระบบพลังงานทางเลือกอื่นๆ จึงเป็นทางออกที่น่าสนใจ โดรนไฮบริดแบบก๊าซ-ไฟฟ้าใช้เครื่องยนต์เผาไหม้ขนาดเล็กเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าระหว่างการบิน ทำให้แพลตฟอร์มมัลติโรเตอร์สามารถบินได้นานหลายชั่วโมง ส่วนโดรนที่ใช้เซลล์เชื้อเพลิงไฮโดรเจน ซึ่งปัจจุบันถูกนำมาใช้แล้วในปฏิบัติการอุตสาหกรรมเฉพาะทาง สามารถบินได้นานพร้อมปล่อยมลพิษน้อยมาก
โดรนที่ใช้พลังงานแสงอาทิตย์ช่วยเสริมเป็นอีกหนึ่งแนวทางหนึ่ง โดรนไร้คนขับแบบปีกนิ่ง (Fixed-wing UAVs) ที่ติดตั้งแผงโซลาร์เซลล์น้ำหนักเบาสามารถเก็บเกี่ยวพลังงานระหว่างการบิน ซึ่งช่วยยืดระยะเวลาปฏิบัติภารกิจได้อย่างมาก บางแพลตฟอร์มเชิงทดลองสามารถบินต่อเนื่องได้นานหลายวัน โดยอาศัยการผสานพลังงานจากแสงอาทิตย์เข้ากับแบตเตอรี่ที่มีประสิทธิภาพสูง

8. กลยุทธ์เฉพาะตามการใช้งาน

แอปพลิเคชันต่าง ๆ ของโดรนมีความได้เปรียบจากกลยุทธ์เพิ่มระยะเวลาบินที่แตกต่างกัน โดรนสำหรับการสำรวจและทำแผนที่ได้รับประโยชน์สูงสุดจากการวางแผนเส้นทางบินอย่างเหมาะสมและระบบถ่ายภาพที่มีน้ำหนักเบา โดรนสำหรับการจัดส่งจำเป็นต้องบริหารจัดการน้ำหนักบรรทุกอย่างรอบคอบ และอาจได้รับประโยชน์จากระบบขับเคลื่อนแบบไฮบริด ขณะที่โดรนสำหรับการตรวจสอบ ซึ่งมักต้องลอยนิ่งเป็นเวลานาน จะได้รับประโยชน์จากใบพัดขนาดใหญ่ มอเตอร์แบบต่ำ-KV และอัลกอริธึมการทรงตัวขั้นสูงที่ช่วยลดการใช้พลังงานในระหว่างการบินแบบนิ่ง

9. ทิศทางในอนาคต

การแสวงหาอายุการใช้งานแบตเตอรี่ของโดรนที่ยาวนานขึ้นกำลังผลักดันให้เกิดนวัตกรรมในหลายสาขา ทั้งการเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานด้วยปัญญาประดิษฐ์ (AI) วัสดุคอมโพสิตขั้นสูง และเคมีภัณฑ์แบตเตอรี่รูปแบบใหม่ ซึ่งจะยังคงเปลี่ยนแปลงขีดความสามารถของ UAV อย่างต่อเนื่อง เมื่อเทคโนโลยีแบตเตอรี่แบบโซลิดสเตต (solid-state) และแบตเตอรี่ลิเธียม-ซัลเฟอร์ (lithium-sulfur) บรรลุความสมบูรณ์แบบ ระยะเวลาการบินจะเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ เทคโนโลยีเซลล์เชื้อเพลิงน่าจะขยายตัวเข้าสู่ภาคโลจิสติกส์เชิงพาณิชย์และการเฝ้าสังเกตการณ์ระยะไกล นอกจากนี้ การปรับปรุงด้านอากาศพลศาสตร์ โครงสร้างน้ำหนักเบา และอัลกอริธึมการประสานงานฝูงโดรน (swarm coordination algorithms) จะยกระดับประสิทธิภาพในการปฏิบัติงานให้สูงยิ่งขึ้น

10. สรุป

การเพิ่มอายุการใช้งานของแบตเตอรี่โดรนจำเป็นต้องใช้แนวทางแบบองค์รวม ซึ่งครอบคลุมทั้งระบบเก็บพลังงาน วิศวกรรมโครงสร้าง การออกแบบระบบขับเคลื่อน การควบคุมอัจฉริยะ และวินัยในการปฏิบัติงาน ไม่มีการปรับปรุงเพียงด้านเดียวที่เพียงพอต่อตนเอง; ผลลัพธ์ที่มีน้ำหนักเกิดขึ้นจากการผสานกลยุทธ์หลายประการเข้าด้วยกัน ขณะที่ความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีเร่งตัวอย่างต่อเนื่อง โดรนจะสามารถบินได้นานขึ้น ทำให้สามารถปฏิบัติภารกิจที่ซับซ้อนยิ่งขึ้นและขยายบทบาทของตนไปยังหลากหลายอุตสาหกรรมได้มากขึ้น อนาคตของความสามารถในการบินต่อเนื่องของ UAV ขึ้นอยู่กับการผสานรวมกันระหว่างวัสดุขั้นสูง อัลกอริทึมที่ชาญฉลาดยิ่งขึ้น และระบบจ่ายพลังงานที่สร้างสรรค์ ซึ่งทั้งหมดนี้ทำงานร่วมกันเพื่อผลักดันขอบเขตของสิ่งที่หุ่นยนต์อากาศสามารถบรรลุผลสำเร็จได้