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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drohne, die wenigstens einen Elektromotor, wenigstens einen von dem wenigstens einen Elektromotor betriebenen Rotor, eine mit dem wenigstens einen Elektromotor direkt oder über eine Batterie gekoppelte Brennstoffzelleneinheit und einen mit der Brennstoffzelleneinheit gekoppelten Brennstoffspeicher aufweist.
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Als Drohnen werden unbemannte Luftfahrzeuge bezeichnet, die entweder autark durch einen Computer und/oder per Fernsteuerung navigiert und kontrolliert werden. Durch den Verzicht auf eine Besatzung lassen sich Drohnen sehr leicht und kompakt bauen. Zudem können Drohnen in Situationen eingesetzt werden, die eine zu große Gefahr für eine Besatzung darstellen würden.
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Aufgrund der Vorteile von Drohnen gegenüber bemannten Luftfahrzeugen ist sowohl im militärischen als auch im zivilen Bereich eine deutliche Steigerung von Drohnenanwendungen zu verzeichnen. Es ist davon auszugehen, dass sich der Trend in den kommenden Jahren fortsetzen wird.
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Militärisch werden Drohnen bereits seit längerem für die Fernaufklärung oder für Luftschläge gegen feindliche Ziele eingesetzt.
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Auch im zivilen Bereich nehmen Drohnen eine immer größer werdende Zahl an Aufgaben wahr. In der Brandbekämpfung beispielsweise werden Drohnen zum Aufspüren von Brandherden eingesetzt. Bei der Suche nach vermissten Personen werden mit Wärmebildkameras ausgestattete Drohnen verwendet. Bei der polizeilichen Überwachung von Großveranstaltungen werden zunehmend Drohnen anstelle von Hubschraubern eingesetzt, die deutlich weniger Lärm verursachen. Bei der Berichterstattung werden Drohnen zur Aufnahme von Videos und Fotos verwendet. Foto- und Videodrohnen sind mittlerweile auch für Privatpersonen erschwinglich. In der Landwirtschaft werden Dohnen neben der Überwachung auch zum gezielten Ausbringen von Schädlingsbekämpfungsmitteln eingesetzt.
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Ein besonders vielversprechendes Anwendungspotential der Drohnen wird im Logistiksektor vermutet, beispielsweise bei der Zustellung von Paketen. Hierzu werden bereits seit Jahren Feldversuche durch Paketdienstleister durchgeführt.
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Zudem gibt es bereits jetzt Warenlieferungen, deren Transport per Drohne die zweckmäßigste und bisweilen wirtschaftlichste Option darstellt. So werden mancherorts bereits eilige Medikamente und Blutproben per Drohne versendet.
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Angetrieben werden die meisten Drohnen von Propellern, die von Verbrennungs- oder Elektromotoren betrieben werden. Im militärischen Sektor finden sich zudem Drohnen mit Strahltriebwerken. Ähnlich wie bei dem Verkehr auf der Straße gibt es auch im Bereich der unbemannten Luftfahrzeuge starke Anreize zur Weiterbildung von elektromotorisch angetriebenen Drohnen. Neben Umweltaspekten sind elektromotorisch angetriebene Drohnen auch mit Blick auf eine geringere Schall- und Schadstoff-Immission gegenüber Drohnen mit Verbrennungsmotor klar im Vorteil. Dies ist insbesondere bei einem Einsatz über besiedeltem bzw. städtischem Gebiet von Bedeutung.
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Die Elektromotoren von elektrisch angetriebenen Drohnen beziehen den benötigten Strom derzeit überwiegend aus Akkumulatoren, welche einen erheblichen Beitrag zum Gewicht der Drohne leisten. Die Weiterentwicklung von batteriebetriebenen Drohnen steht damit vor dem Problem, dass leistungsstarke Drohnen, wie sie für die Aufnahme schwererer Nutzlasten benötigt werden, mit entsprechend proportionierten Batterien auszustatten sind, was eine solche Drohne zwangsläufig sehr schwer macht. Folglich stehen Nutzlast und Leergewicht einer batteriebetriebenen Drohne in einem sehr ungünstigen Verhältnis.
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Großes Potential besitzen daher Drohnen, deren Elektromotoren entweder direkt von einer Brennstoffzelle angetrieben werden oder deren Antriebsbatterie von einer Brennstoffzelle aufgeladen wird. Derzeit bekannte brennstoffzellenbetriebene Drohnen sind ausschließlich batteriebetriebenen Drohnen mit Blick auf Reichweite und Flugdauer bereits deutlich überlegen. Bei gleichzeitig verringertem Gewicht, erlauben brennstoffzellenbetriebene Drohnen zudem eine größere Nutzlastaufnahme und kürzere Standzeiten durch schnelle Betankungsprozesse.
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Eine brennstoffzellenbetriebene Drohne mit mehreren Propellern ist zum Beispiel aus der Druckschrift WO 2020/ 045 995 A1 bekannt. Die Propeller wie auch die Brennstoffzelleneinheit, der Brennstoffspeicher sowie weitere Komponenten, die für den Betrieb der Drohne benötigt werden, sind an einem gemeinsamen Gestell angebracht.
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Die Druckschrift
US 2007/0034738 A1 offenbart ein Schwebeflugzeug mit einem zentral angeordneten, von einem ringförmigen Gehäuse umringten Propeller. Innere Schaufelenden des Propellers sind in einer gemeinsamen Nabe verbunden, äußere Schaufelenden des Propellers sind an einem magnetisch gelagerten Außenring befestigt. Durch elektromagnetische Induktion wird der Außenring relativ zum Gehäuse bewegt, wodurch der Propeller in Rotation versetzt wird. Wenn zum Antrieb des Schwebeflugzeugs Brennstoffzellen verwendet werden, weist jede der Brennstoffzellen einen eigenen Brennstoffspeicher auf.
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Aus der Druckschrift
US 2020/0335806 A1 ist eine Drohne mit einem Brennstoffzellensystem bekannt. Das Brennstoffzellensystem weist eine Brennstoffzelle auf, die mit einem Brennstoffspeicher verbunden ist. Die Brennstoffzelle ist in oder neben einem Gehäuse der Drohne angeordnet. Der Brennstoffspeicher besteht aus mehreren Brennstoffvorratsbehältern, die jeweils einen Gassack enthalten.
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In der Druckschrift
DE 10 2017 006 543 A1 ist ebenfalls eine brennstoffzellenbetriebene Drohne mit mehreren Propellern offenbart, wobei eine Abluftleitung der Brennstoffzelle in wenigstens einer Schubdüse endet. Auf diese Weise lässt sich die Abluft verwenden, um der Drohne einen zusätzlichen Schub zu verleihen.
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Drohnen, die von einer Brennstoffzelleneinheit angetrieben werden, sind mit einem Brennstoffspeicher ausgestattet, in dem der für die Stromerzeugung benötigte Wasserstoff als stark komprimiertes Gas vorgehalten wird. Bei den Brennstoffspeichern handelt es sich um zigarrenförmige Druckgasbehälter aus Stahl oder verstärktem Kunststoff, die mit bis zu 700 bar Fülldruck beaufschlagt werden können.
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Die bekannten zigarrenförmigen Brennstoffspeicher haben selbst ein Volumen von mehreren Litern und stellen somit eine recht sperrige Komponente im Aufbau einer Brennstoffzellen-betriebenen Drohne dar, welche zudem so zu verstauen ist, dass die Flugeigenschaften nicht beeinträchtigt werden. Für gewöhnlich ist der Brennstoffspeicher in einer zentralen Position an einem Trägergestell oder Gespärre der Drohne zu befestigen. Bei einer exzentrischen Befestigung des Brennstoffspeichers muss hingegen durch die Anordnung weiterer Komponenten der Drohne für einen hinreichenden Gewichtsausgleich gesorgt werden.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte brennstoffzellenbetriebene Drohne mit möglichst geringem Gewicht und dennoch hoher Leistungsfähigkeit zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Drohne, die wenigstens einen Elektromotor, wenigstens einen von dem wenigstens einen Elektromotor betriebenen Rotor, eine mit dem wenigstens einen Elektromotor direkt oder über eine Batterie gekoppelte Brennstoffzelleneinheit und einen mit der Brennstoffzelleneinheit gekoppelten Brennstoffspeicher aufweist, gelöst, wobei der Brennstoffspeicher als rahmen- oder hülsenförmige Hohlstruktur ausgebildet ist, wobei der Brennstoffspeicher die Brennstoffzelleneinheit und/oder wenigstens einen Transportbehälter der Drohne hält und zumindest teilweise umringt.
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Der Brennstoffspeicher ist als Hohlstruktur ausgebildet und damit zur Aufnahme von Brennstoff, wie beispielsweise Wasserstoff, in seinem Inneren geeignet. Die jeweilige Hohlstruktur bildet bei der vorliegenden Erfindung einen Rahmen oder eine Hülse um einen Innenbereich der Drohne herum aus. Der Brennstoffspeicher umgibt oder umfasst also den Innenbereich der Drohne. Wenn der Brennstoffspeicher rahmenförmig ausgebildet ist, bildet er ein in sich geschlossenes Gerüst um einen Innenbereich der Drohne, welches der Drohne eine hohe mechanische Stabilität verleiht.
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Ist der Brennstoffspeicher als hülsenförmige bzw. röhrenförmige Hohlstruktur ausgebildet, kann er beispielsweise aus einem doppelwandigen Rohr oder einer doppelwandigen Tonne, das beziehungsweise die jeweils den Innenbereich der Drohne umschließt, gefertigt sein. Der Brennstoff wird in einem abgeschlossenen Volumen zwischen den Doppelwänden gespeichert. Ein hülsenförmiger Brennstoffspeicher kann auch durch einen Stapel rahmenförmig ausgebildeter Brennstoffspeicherbehälter ausgebildet sein.
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Durch diese besondere Art der Ausbildung lässt sich der Brennstoffspeicher sehr vorteilhaft in eine brennstoffzellenbetriebene Drohne integrieren.
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Zum einen bietet ein rahmen- oder hülsenförmig ausgebildeter Brennstoffspeicher eine sehr vorteilhafte Gewichtsverteilung. Beispielsweise ist der Brennstoffspeicher so gestaltet, dass sein Gewicht allseits oder zumindest an einander gegenüberliegenden Seiten der Drohne austariert ist.
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Außerdem ergibt sich durch die rahmen- oder hülsenförmige Ausbildung ein von dem Brennstoffspeicher umgebener, vorzugsweise im Zentrum der Drohne befindlicher Raum, der hervorragend für die Unterbringung weiterer zum Betrieb der Drohne erforderlicher Komponenten oder für eine durch die Drohne aufzunehmende Nutzlast geeignet ist.
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Des Weiteren kann durch den rahmen- oder hülsenförmig ausgebildeten Brennstoffspeicher weitestgehend auf ein ansonsten übliches Trägergestell verzichtet werden. Anstatt also beispielsweise einen zigarrenförmigen Brennstoffspeicher auf einer Montageplattform oder einem Rahmenabschnitt eines Trägergestells zu befestigen, ist der Brennstoffspeicher bei der erfindungsgemäßen Drohne selbst rahmenförmig oder hülsenförmig ausgebildet und stellt somit selbst eine strukturtragende Montagebasis beziehungsweise eine Befestigungsmöglichkeit für weitere Komponenten der Drohne dar. Der ansonsten schwer zu verstauende Brennstoffspeicher übernimmt bei der erfindungsgemäßen Drohne weitestgehend die Aufgabe eines Trägerwerkes, indem er sich als strukturintegrierendes Modul für die Anbringung und Verstauung weiterer Baugruppen und Nutzlasten verwenden lässt.
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Alle für einen Betrieb der erfindungsgemäßen Drohne benötigten Bestandteile und Baugruppen können vorteilhaft oberhalb und/oder unterhalb und/oder innerhalb und/oder seitlich des rahmenförmigen oder hülsenförmigen Brennstoffspeichers an diesem angeordnet werden.
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Der Brennstoffspeicher hält die Brennstoffzelleneinheit und/oder wenigstens einen Transportbehälter der Drohne und umringt diese/diesen zumindest teilweise.
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Wenigstens ein Transportbehälter und/oder die Brennstoffzelleneinheit sind zumindest teilweise innerhalb des Innenbereichs der Drohne, der von dem rahmen- oder hülsenförmig ausgebildeten Brennstoffspeicher umringt ist, untergebracht. Dies ermöglicht beispielsweise den Bau einer sehr kompakten Transportdrohne mit einer sehr günstigen Gewichtsverteilung.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Brennstoffspeicher aus unverstärktem oder kurz- und/oder langfaserverstärktem Kunststoff ausgebildet. Durch die Verwendung von Kunststoff ist der Brennstoffspeicher deutlich leichter als ein äquivalenter Brennstoffspeicher aus Metall, wobei dem Brennstoffspeicher durch optionale in den Kunststoff eingebundene Kurz- und/oder Lang- und/oder Endlosfasern eine hohe mechanische Stabilität und Druckbeständigkeit verliehen wird.
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Zur Verstärkung des Kunststoffs eignen sich insbesondere Glas-, Keramik- und/oder Basaltfasern. Es sind aber auch organische Verstärkungsfasern, aus zum Beispiel Nylon, Kohlenstoff oder Aramid, sowie metallische Verstärkungsfasern geeignet.
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Dabei ist es von Vorteil, wenn an den Brennstoffspeicher wenigstens eine Halterung für den wenigstens einen Elektromotor angespritzt ist. Auf diese Weise lässt sich der Brennstoffspeicher sehr geschickt als ein Träger für den wenigstens einen Elektromotor verwenden. Das Anspritzen der Halterung für den wenigstens einen Elektromotor an den Kunststoff des Brennstoffspeichers schafft eine besonders stabile, stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Brennstoffspeicher und der Halterung.
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In gleicher Weise lassen sich auch Halterungen für weitere Baugruppen und Komponenten der Drohne direkt an einen Brennstoffspeicher aus Kunststoff anspritzen.
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Es erweist sich als besonders vorteilhaft, wenn der Brennstoffspeicher in Form wenigstens eines Torus oder wenigstens eines mehreckigen Hohlreifens ausgebildet ist. Der torusförmige Brennstoffspeicher bildet einen runden Hohlring, indem sich der Brennstoff, z. B. komprimierter Wasserstoff, speichern lässt. Der torusförmige Brennstoffspeicher umringt zudem einen Innenbereich der Drohne vollständig, der somit für die Unterbringung weiterer Komponenten der Drohne oder für die Unterbringung einer Nutzlast zur Verfügung steht. Der torusförmige Brennstoffspeicher lässt sich außerdem leicht fertigen und ist besonders druckbeständig.
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In Bezug auf die vorteilhafte Schaffung eines nutzbaren Innenbereiches der Drohne, der von dem Brennstoffspeicher umringt ist, kommt es allerdings nicht darauf an, dass der Brennstoffspeicher ein kreisrunder Torus ist. In Hinsicht darauf sind nämlich auch Brennstoffspeicher in Form eines mehreckigen Hohlreifens bestens geeignet. Der Hohlreifen kann dabei sowohl im Umlaufsinn um den Innenbereich mehreckig ausgebildet sein und/oder einen mehreckigen Querschnitt aufweisen.
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Für den Fall, dass der Brennstoffspeicher in Form wenigstens eines Torus oder wenigstens eines mehreckigen Hohlreifens ausgebildet ist, erweist es sich als besonders vorteilhaft, wenn der Brennstoffspeicher aus zwei miteinander verschweißten Halbschalen ausgebildet ist.
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Die Halbschalen sind bei dieser Ausführungsform der Erfindung zumindest teilweise aus faserverstärktem oder unverstärktem Kunststoff und/oder Metall ausgebildet. Die Halbschalen sind zu dem Torus oder dem mehreckigen Hohlreifen zusammengesetzt und miteinander verschweißt.
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Zur Erhöhung der Druckbeständigkeit ist es besonders vorteilhaft, die miteinander verschweißten Halbschalen zusätzlich mit kunststoffimprägnierten und/oder kunststoffumgossenen Langfasern und/oder wenigstens einer kunststoffimprägnierten und/oder kunststoffumgossenen Endlosfaser zu umwickeln. Das heißt, dass eine äußere Oberfläche des aus zwei Halbschalen zusammengesetzten Brennstoffspeichers beispielsweise mit einem Filament und/oder Multifilament umwickelt ist, wobei dieses bei jeder Umwicklung einmal durch das Loch, welches von dem Torus oder dem mehreckigen Hohlreifen umringt ist, geführt ist.
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Die für eine solche Umwicklung verwendeten Lang- und/oder Endlosfasern sind zur besseren Fixierung auf der Oberfläche des Brennstoffspeichers sowie zu deren Schutz vor mechanischen Einflüssen kunststoffimprägniert und/oder kunststoffumgossen.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der Brennstoffspeicher wenigstens zwei mittels Verbindungsrohren verbundene Brennstoffspeicherbehälter auf. Beispielsweise können bei dieser Ausführungsform zwei oder mehr hohlreifenförmig ausgebildete Brennstoffspeicherbehälter übereinander gestapelt und durch Verbindungsrohre zu dem Brennstoffspeicher zusammengesetzt sein. Im Ergebnis ist damit ein hülsenförmiger Brennstoffspeicher geschaffen, der einen Innenbereich der Drohne umschließt, in dem sich Nutzlasten und/oder weitere Komponenten der Drohne unterbringen lassen.
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Ferner ist es bei dieser Ausführungsform möglich, mehrere zigarrenförmige Brennstoffspeicherbehälter mittels Verbindungsrohren rahmenförmig zu dem Brennstoffspeicher zusammenzufügen.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Drohne wenigstens ein elektrisches Funktionsmodul auf, das direkt oder über die Batterie mit der Brennstoffzelleneinheit elektrisch verbunden ist.
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Bei dem jeweiligen elektrischen Funktionsmodul handelt es sich um ein elektronisches Gerät, welches die für den Betrieb notwendige Stromversorgung direkt oder mittelbar aus der Brennstoffzelleneinheit bezieht. Demnach erübrigt sich für ein solches Funktionsmodul eine zusätzliche Stromversorgung, was eine zusätzliche Gewichtsreduzierung für eine solche Drohne bedeutet. Bei dem Funktionsmodul handelt es sich beispielsweise um eine Kamera, einen Wärmesensor, einen Greifarm, eine Sende- und/oder Empfangseinrichtung für elektromagnetische Wellen oder dergleichen.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Drohne ein Düsensystem zur Verteilung wenigstens eines in dem wenigstens einen Transportbehälter befindlichen Fluids auf.
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Eine derart ausgestaltete Drohne ist beispielsweise dafür geeignet, um ein Schädlingsbekämpfungsmittel gezielt über von Schädlingen befallenen Bereichen eines Feldes auszubringen.
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Es ist besonders günstig, wenn die Drohne ein Landegestell aufweist, das mit dem Brennstoffspeicher verbunden ist.
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Die meisten Drohnen verfügen über ein Landegestell mit Kufen oder Stützen zum Landen auf dem Land oder über ein Landegestell mit Schwimmkörpern zum Landen auf dem Wasser. Da sich der Brennstoffspeicher bei der erfindungsgemäßen Drohne ideal als strukturintegrierender Träger zur Anbringung von diversen Baugruppen verwenden lässt, ist es insbesondere günstig, wenn auch das Landegestell der Drohne mit dem Brennstoffspeicher verbunden ist. Dadurch lässt sich das Gewicht der Drohne weiter verringern. Bei einer Landung auf dem Wasser könnte bei einem hinreichend geringen Gesamtgewicht der Drohne sogar ganz auf ein Landegestell verzichtet werden, indem der Brennstoffspeicher zusätzlich die Aufgabe eines Schwimmkörpers wahrnimmt.
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, deren Aufbau, Funktion und Vorteile werden im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert, wobei
- 1 schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Drohne in einem Querschnitt zeigt;
- 2 schematisch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Drohne in einer Draufsicht zeigt;
- 3A bis 3E schematisch verschiedene Ausführungsformen von Brennstoffspeichern für eine erfindungsgemäße Drohne jeweils in einer Draufsicht zeigen;
- 4 schematisch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Drohne in einer Draufsicht zeigt; und
- 5 schematisch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Drohne in einer Draufsicht zeigt.
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In 1 ist eine mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drohne 1 in einem Querschnitt gezeigt.
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Die Drohne 1 weist in der gezeigten Ausführungsform mehrere Rotoren 3 auf, die jeweils von Elektromotoren 2 der Drohne 1 angetrieben werden.
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Die Elektromotoren 2 beziehen ihren Strom von einer Batterie der Drohne, die von wenigstens einer Brennstoffzelleneinheit 4 der Drohne 1 aufgeladen wird. Die Elektromotoren 2 können aber auch direkt von der Brennstoffzelleneinheit 4 der Drohne 1 mit Strom versorgt werden.
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Der Brennstoff für die Brennstoffzelleneinheit 4 befindet sich in einem Brennstoffspeicher 5 der Drohne 1.
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Der Brennstoffspeicher 5 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel rahmenförmig ausgebildet, kann aber in anderen Ausführungsformen der Erfindung auch hülsenförmig ausgebildet sein. Der Brennstoffspeicher 5 hat in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel die Form eines Torus 53, also eines kreisrunden Hohlreifens mit kreisförmigem Querschnitt.
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In einer nicht gezeigten Ausführungsform der Erfindung weist der rahmenförmige Brennstoffspeicher 5 einen mehreckigen Querschnitt auf. Zudem muss der rahmenförmige Brennstoffspeicher 5 in einer Draufsicht, wie sie in 2 gezeigt ist, auch keinen kreisrunden Umfang aufweisen. Auch mit Bezug auf diesen Umfang kann der rahmenförmige Brennstoffspeicher 5 mehreckig ausgebildet sein, wie es weiter unten anhand der 3A bis 3E erläutert ist.
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Der Brennstoffspeicher 5 bildet ein stabiles Trägerelement für die Anordnung weiterer Bauteile und Baugruppen der Drohne 1.
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So sind die Elektromotoren 2 oberhalb des Brennstoffspeichers 5 angeordnet und an diesem befestigt. Die Brennstoffzelleneinheit 4 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel in einem Bereich, der von dem Brennstoffspeicher 5 umgeben ist, verstaut. Unterhalb der Brennstoffzelleneinheit 4 ist ein Transportbehälter 6 der Drohne 1 angeordnet, welcher ebenfalls zumindest teilweise in einem Bereich untergebracht ist, der von dem Brennstoffspeicher 5 umringt ist.
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Der Transportbehälter 6 dient der Aufnahme von Nutzlasten. Bei der in der 1 gezeigten Ausführungsform der Erfindung lässt sich der Transportbehälter 6 als Cargobox verwenden, in der Pakete für Warensendungen untergebracht werden können. Genauso gut eignet sich der Transportbehälter 6 für die Aufnahme eines Fluids, wie beispielsweise eines flüssigen Schädlingsbekämpfungsmittels, welches mit Hilfe der Drohne 1 gezielt über einem Feld versprüht werden kann. Für diesen Zweck ist die in 1 beispielhaft dargestellte Drohne 1 mit einem Düsensystem 8 ausgestattet.
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Der Transportbehälter 6 ist in der gezeigten Ausführungsform temperiert beziehungsweise temperierbar. Beispielsweise wird der Transportbehälter 6 von einem elektrischen Kühlaggregat abgekühlt oder von einer elektrischen Heizung beheizt. Die Stromversorgung des Kühlaggregats oder der Heizung erfolgt in diesem Beispiel durch die wenigstens eine Brennstoffzelleneinheit 4. Ein gekühlter Transportbehälter 6 ist besonders gut für den Transport von Medizinprodukten wie beispielsweise Blutkonserven geeignet, ein beheizter Transportbehälter 6 hingegen ist sehr gut für die Warmhaltung von Speisen geeignet.
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Die in 1 beispielhaft dargestellte Drohne 1 weist ein zusätzliches elektrisches Funktionsmodul 7 auf. Das elektrische Funktionsmodul 7 ist bei der gezeigten Ausführungsform eine Kamera. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann das elektrische Funktionsmodul 7 auch ein anderes elektrisch betriebenes Gerät, wie beispielsweise ein Wärmesensor, ein Greifarm, eine Sende- und/oder Empfangseinrichtung für elektromagnetische Wellen oder dergleichen sein. Das elektrische Funktionsmodul 7 bezieht den für seinen Betrieb notwendigen Strom vorzugsweise aber nicht unbedingt aus der Brennstoffzelleneinheit 4.
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Die in 1 dargestellte Ausführungsform der Drohne 1 weist ein Landegestell 9 auf, welches ebenfalls mit dem Brennstoffspeicher 5 verbunden ist.
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Damit ist an 1 besonders gut zu erkennen, dass der Brennstoffspeicher 5 in dem Aufbau der erfindungsgemäßen Drohne 1 ein zentrales und strukturintegrierendes Tragelement für die Anordnung und Unterbringung weiterer Bestandteile der Drohne 1 darstellt. Zu den weiteren Bestandteilen zählen dabei sowohl jene Komponenten, die für den Flugbetrieb der Drohne 1 zwingend erforderlich sind, wie zum Beispiel der wenigstens eine Elektromotor 2, als auch solche Komponenten, die für eine zweckmäßige Ausstattung der Drohne 1 zusätzlich sinnvoll sind, wie zum Beispiel der Transportbehälter 6 und/oder das wenigstens eine Funktionsmodul 7 und/oder das Düsensystem 8.
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2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Drohne 1' mit einem torusförmigen Brennstoffspeicher 5 in einer Draufsicht. Bei dieser Ausführungsform ist die Brennstoffzelleneinheit 4 mittig über dem Brennstoffspeicher 5 und vollständig oberhalb von diesem angeordnet. Dadurch bietet sich innerhalb eines von dem Brennstoffspeicher 5 umringten Innenbereichs 10 der Drohne 1' Platz für einen größeren Transportbehälter 6 und/oder für die Verstauung anderer Komponenten der Drohne 1'.
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Die in 2 dargestellte Drohne 1' weist vier Rotoren 3 auf, die gleichmäßig entlang des Umfangs des Brennstoffspeichers 5 verteilt angeordnet sind. Auch in dieser Ausführungsform der Erfindung verfügt die Drohne 1' über eine sehr vorteilhafte Gewichtsverteilung.
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Der in den 1 und 2 dargestellte torusförmige Brennstoffspeicher 5 besteht aus zwei Halbschalen aus langfaserverstärktem Kunststoff 51. Die Halbschalen können allerdings auch aus unverstärktem oder kurzfaserverstärktem Kunststoff oder aus Metall ausgebildet sein.
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Bei der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung wurden Glasfasern zur Verstärkung des Kunststoffs 51 verwendet, aus dem der Brennstoffspeicher ausgebildet ist. Es kommen für eine Verstärkung aber beispielsweise auch Fasern aus Basalt, Keramik, Metall, Aramid, Nylon oder Kohlenstoff in Frage.
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Die beiden Halbschalen sind miteinander zu einer geschlossenen Hohlstruktur verschweißt. Zur Stabilisierung sind die miteinander verschweißten Halbschalen mit einer kunststoffimprägnierten Endlosfaser umwickelt. Bei jeder Umwicklung ist die Endlosfaser einmal durch das Loch geführt, welches von dem Torus 53 umringt ist. Ein derart gefertigter Brennstoffspeicher 5 ist sehr viel leichter als ein gleich stark druckbeständiger Brennstoffspeicher aus Metall. Für eine Umwicklung des Brennstoffspeichers lassen sich genauso gut auch Langfasern verwenden.
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Bei der Drohne 1' sind die Elektromotoren 2 an Halterungen 52 befestigt, die wiederum direkt an den Brennstoffspeicher 5 angespritzt sind.
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Analog lassen sich weitere Komponenten der Drohne 1', wie zum Beispiel wenigstens ein Transportbehälter 6, wenigstens ein elektrisches Funktionsmodul 7 und/oder wenigstens ein Düsensystem 8, geschickt an Halterungen befestigen, die direkt an den Brennstoffspeicher 5 angespritzt sind.
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In den 3A bis 3E sind besonders vorteilhalte Ausführungsformen für Brennstoffspeicher 5a, 5b, 5c, 5d, 5e in einer Draufsicht dargestellt. Neben dem bereits in den 1 und 2 gezeigten torusförmigen Brennstoffspeicher 5 eigen sich insbesondere in der Draufsicht als mehreckige Hohlreifen ausgebildete Brennstoffspeicher 5b, 5c, 5d, 5e für die Ausbildung einer erfindungsgemäßen Drohne 1, 1'.
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Die Hohlreifen können wiederum selbst über beliebige, insbesondere auch runde, elliptische oder auch mehreckige, Querschnitte verfügen.
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In den 4 und 5 sind zwei weitere mögliche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Drohne 1”, 1''' dargestellt, bei denen der Brennstoffspeicher 5f, 5g aus mehreren Brennstoffspeicherbehältern 56 besteht, die durch Verbindungsrohre 55 miteinander verbunden sind.
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So führt, wie in 4 dargestellt, auch ein Brennstoffspeicher 5f, der aus vier auf Stoß rechteckförmig angeordneten Brennstoffspeicherbehältern 56 besteht, die durch Verbindungsrohre 55 miteinander verbunden sind, auch zu einem insgesamt rahmenförmigen Brennstoffspeicher 5f, der ähnlich einem einstückigen Hohlreifen als Trägerelement für den Aufbau der gezeigten Drohne 1" geeignet ist.
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Anstatt vier mit Verbindungsrohren 55 zu einem Rechteck verbundenen Brennstoffspeicherbehältern 56 ließen sich beispielsweise auch drei Brennstoffspeicherbehälter 56 mit Verbindungsrohren 55 zu einem dreieckförmigen Brennstoffspeicher verbinden.
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Bei der in 5 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drohne 1''' sind lediglich zwei parallel angeordnete Brennstoffspeicherbehälter 56 durch Verbindungsrohre 55 zu einem rahmenförmigen Brennstoffspeicher 5g verbunden. Die wenigstens eine Brennstoffzelleneinheit 4 ist bei dieser Ausführungsform der Erfindung an den Verbindungsrohren 55 befestigt.
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Es ist auch denkbar, mehrere als Tori 53 oder als mehreckige Hohlreifen 54 ausgebildete Brennstoffspeicherbehälter 56 übereinander zu stapeln und durch Verbindungsrohre 55 zu einem hülsenförmigen Brennstoffspeicher zusammenzusetzen.
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Auf diese Weise lassen sich zum einen leicht Brennstoffspeicher mit einem großen Fassungsvermögen realisieren, zum anderen bietet der von dem Stapel umschlossene Bereich viel Platz für die Unterbringung von weiteren Bestandteilen der Drohne 1, 1', 1", 1''' und/oder zur Aufnahme von Nutzlasten.
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Die Erfindung stellt somit eine breite Palette von verbesserten brennstoffzellenbetriebenen Drohnen in variablen Größen und Reichweiten zur Verfügung, die vorteilhaft für die Wahrnehmung unterschiedlichster Aufgaben angepasst und ausgestattet werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1', 1", 1'''
- Drohne
- 2
- Elektromotor
- 3
- Rotor
- 4
- Brennstoffzelleneinheit
- 5, 5a - 5g
- Brennstoffspeicher
- 51
- unverstärkter oder verstärkter Kunststoff
- 52
- Halterung
- 53
- Torus
- 54
- Hohlreifen
- 55
- Verbindungsrohr
- 56
- Brennstoffspeicherbehälter
- 6
- Transportbehälter
- 7
- Funktionsmodul
- 8
- Düsensystem
- 9
- Landegestell
