Di cosa si tratta?
CUPID (Composite Unmanned Photovoltaic Innovative Drone) è un progetto studentesco dell’Università di Padova sviluppato insieme al Team LiftUp con l’obiettivo di studiare e sperimentare nuove soluzioni per l’autonomia energetica dei velivoli senza pilota.
Nato nel 2024, CUPID mira a progettare un drone costruito in materiali compositi e dotato di pannelli fotovoltaici integrati nella struttura, in grado di estendere drasticamente i tempi di volo rispetto ai droni elettrici tradizionali.
Il progetto non nasce per una competizione, ma come piattaforma sperimentale modulare: un ambiente di ricerca dove testare materiali, configurazioni energetiche, tecniche di integrazione delle celle solari e sistemi di gestione dell’energia. CUPID rappresenta una base su cui costruire soluzioni future, potenzialmente applicabili a monitoraggio ambientale, protezione civile, rilevazione incendi con sensori IR e, più in generale, a qualunque missione che richieda un’alternativa leggera, autonoma e ad alta durata.
Obiettivo Finale
L’obiettivo finale di CUPID è lo sviluppo di un velivolo autonomo e autosostenibile, capace di mantenere il volo per lunghi periodi senza necessità di ricariche esterne.
Per raggiungere questo traguardo, intendiamo progettare un drone in grado di:
– Volare in modo completamente autonomo, grazie all’integrazione di un autopilota avanzato;
– Produrre e gestire la propria energia attraverso celle solari ad alta efficienza integrate nella struttura alare;
– Sostenere missioni prolungate, superando di molte volte l’autonomia tipica dei droni elettrici tradizionali;
– Portare diversi tipi di sensori, trasformandosi in una piattaforma modulare per applicazioni future.
Avere un aeromobile capace di rimanere in volo per molte ore significa creare una base tecnologica su cui è possibile montare qualunque carico utile: sensori a infrarossi per il monitoraggio degli incendi boschivi, telecamere per il rilevamento ambientale, sistemi LiDAR o strumentazione di ricerca.
CUPID nasce dunque come dimostratore tecnologico che ci permette di esplorare soluzioni innovative per l’energia, l’aerodinamica e il controllo del volo, con l’obiettivo di arrivare a un drone realmente autosufficiente.
Obiettivo a Breve Termine
Nel breve termine, l’obiettivo di CUPID è realizzare un primo prototipo di test dedicato allo studio del comportamento delle celle solari in volo.
In questa fase, la priorità non è l’aerodinamicità perfetta, ma la costruzione di una struttura solida su cui installare i pannelli fotovoltaici e analizzarne:
– L’efficienza reale durante il volo,
– La resa energetica in diverse condizioni di luce,
– L’impatto del peso aggiuntivo sulla dinamica dell’aeromobile,
– Il bilanciamento tra produzione e consumo energetico.
Il traguardo operativo di questa fase è raggiungere un’autonomia di circa 6 ore utilizzando una batteria che normalmente garantirebbe un volo di circa un’ora.
Questo incremento rappresenta un primo passo concreto verso l’autosostenibilità totale e permette di validare la configurazione preliminare del sistema fotovoltaico, della gestione energetica e del gruppo motopropulsore.
Sfide Tecniche
Lo sviluppo di CUPID richiede di affrontare una serie di sfide ingegneristiche complesse. Ogni scelta tecnica è strettamente collegata alle altre, e il sistema deve essere progettato come un equilibrio dinamico tra peso, efficienza energetica, aerodinamica e affidabilità.
Ottimizzazione del numero di celle solari
Una delle sfide più critiche riguarda la determinazione del numero ideale di celle fotovoltaiche da integrare nelle superfici alari.
Le celle che abbiamo scelto: SunPower da 12,5 mm offrono un’elevata efficienza, ma ogni cella aggiunge peso e richiede superficie.
L’equilibrio non è banale:
- Più celle → più potenza generata,
più celle → più peso e più resistenza aerodinamica,
più peso → maggiore richiesta di energia per restare in volo.
Il sistema deve raggiungere il punto in cui l’energia prodotta supera quella necessaria per sostenere l’aumento di peso: un vero loop di interdipendenze che richiede modellazione, test e simulazione.
Stimiamo di partire con circa 40 celle, ma il numero finale verrà calibrato dopo i test dei primi prototipi.
Scelta del motore e dell’elica
Il gruppo motopropulsore è un altro elemento chiave.
Il motore deve:
garantire il volo con il minor consumo possibile,
essere sufficientemente leggero,
lavorare bene con l’elica selezionata,
adattarsi al range di tensioni offerto dal sistema solare + batteria.
La scelta dell’elica influisce enormemente sull’efficienza: diametro, passo e materiali determinano il regime ideale di funzionamento.
Un’elica ottimizzata per bassi RPM e massimo rendimento è essenziale per massimizzare la durata del volo.
Integrazione dell’MPPT
Il sistema fotovoltaico deve essere gestito da un MPPT (Maximum Power Point Tracker)
capace di estrarre sempre la massima potenza disponibile dalle celle, indipendentemente da:
inclinazione del drone durante il volo,
presenza di nuvole o variazioni di luce,
temperatura delle celle.
Il modello inizialmente previsto è il Genasun GV5, un MPPT compatto e ad alta efficienza, adatto a sistemi a bassa tensione. Tuttavia, la scelta definitiva verrà confermata dopo la definizione del numero e della configurazione delle celle.
Bilanciamento tra peso e struttura
Per i primi prototipi, utilizzeremo una struttura in:
polistirolo come nucleo,
laminazione in fibra di vetro come pelle esterna.
Questa soluzione permette test rapidi e modifiche frequenti, pur garantendo un buon rapporto peso/rigidezza.
Nelle fasi successive valutiamo il passaggio alla fibra di carbonio, con l’obiettivo di ridurre ulteriormente il peso mantenendo resistenza e integrità strutturale.
La scelta del materiale influenzerà:
la posizione delle celle solari,
la distribuzione dei pesi,
la resistenza ai carichi aerodinamici,
la capacità di ospitare elettronica e sensori futuri.
Integrazione dei payload futuri
CUPID è pensato come piattaforma modulare: in futuro potrà ospitare diversi sensori.
Il primo payload previsto è una telecamera a infrarossi, scelta per facilità di integrazione e costi contenuti.
Ogni sensore introduce nuove sfide:
consumo energetico,
peso aggiuntivo,
bilanciamento del baricentro,
interferenze elettromagnetiche,
aerodinamica.
La struttura deve quindi essere progettata fin dall’inizio per essere scalabile, cioè in grado di ospitare upgrade futuri senza riprogettazioni radicali.
Prossimi Passi
Per accelerare i tempi e ottenere fin da subito dati reali e affidabili sulla produzione dei pannelli solari, abbiamo deciso di adottare un approccio più dinamico. La nostra prima mossa sarà integrare le primissime celle solari direttamente su Zephira, uno dei droni ad ala fissa già operativi della nostra flotta. Sfruttare una piattaforma collaudata ci permetterà di scendere subito in campo (o meglio, in cielo!) e raccogliere misurazioni cruciali sull’efficienza delle celle in volo, l’impatto aerodinamico e l’effettiva resa dell’MPPT.
I dati “sul campo” ottenuti da Zephira saranno il nostro trampolino di lancio per procedere a tutta forza con le fasi successive del progetto CUPID:
- Modellazione Digitale e Ottimizzazione: Sfrutteremo i risultati dei primi test per calibrare al millimetro il modello CAD del nuovo aeromobile. Definiremo la geometria ottimale dell’ala, bilanciando la struttura, l’aerodinamica e lo spazio necessario per massimizzare la resa fotovoltaica.
- Costruzione del Prototipo CUPID: Con i progetti consolidati, realizzeremo il primo prototipo fisico. Partiremo con una struttura in polistirolo e fibra di vetro: una soluzione leggera e facilmente modificabile su cui installeremo il sistema fotovoltaico completo, l’avionica e il primo payload sperimentale.
- Il Primo Volo Sperimentale: Il traguardo più atteso. Porteremo in volo il prototipo completo per valutare stabilità, consumi e comportamento del pacco batterie. L’obiettivo? Dimostrare che spingersi verso le 6 ore di autonomia è un traguardo reale.
- Iterazione Continua: Dopo il primo ciclo di test, inizierà la vera evoluzione. Ottimizzeremo la disposizione delle celle, valuteremo il passaggio alla fibra di carbonio e testeremo configurazioni motore-elica più efficienti. Un processo di miglioramento costante che ci porterà sempre più vicini al traguardo: un drone totalmente autonomo e autosostenibile.
Timeline
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2024 — Nascita del progetto
CUPID viene avviato come piattaforma di ricerca interna a LiftUp, con l’obiettivo di sperimentare soluzioni per l’autonomia energetica dei droni elettrici tramite pannelli fotovoltaici integrati.
Si comincia a buttare giù qualche idea.
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2025 — Studio preliminare e primi acquisti
Si avvia la fase di analisi, definizione delle superfici alari e studio delle possibili configurazioni solari. In parallelo viene sviluppato il modello CAD, che definirà geometrie, volumi interni e disposizione dei componenti e vengono acquistati i primi componenti elettronici per effettuare vari test.
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2026 Q3 — FASE "ZEPHIRA" E RACCOLTA DATI
In questi mesi ci dedicheremo all'integrazione delle prime celle fotovoltaiche sull'ala del nostro drone collaudato Zephira. Portandolo in volo, effettueremo test mirati per monitorare il comportamento del sistema MPPT in condizioni reali di irraggiamento e vibrazione. Questa preziosa telemetria "sul campo" ci permetterà di studiare le metriche di produzione energetica e l'impatto aerodinamico, validando finalmente i nostri modelli teorici con dati concreti e preparandoci allo sviluppo successivo.
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2026 Q4 — PROGETTAZIONE DATA-DRIVEN
Sfrutteremo i dati raccolti su Zephira per ricalibrare e finalizzare il modello 3D del drone CUPID definitivo. L'obiettivo principale sarà calcolare il bilanciamento perfetto tra l'ampia apertura alare, necessaria per ospitare le celle solari, e l'efficienza aerodinamica complessiva del velivolo. Sulla base di questi calcoli, procederemo alla selezione definitiva dell'avionica, dei motori e del nostro payload sperimentale (che includerà una telecamera a infrarossi), ottimizzando al millimetro l'intero bilancio energetico.
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2027 Q1 — Costruzione del prototipo
Si procede con la realizzazione fisica del primo velivolo, utilizzando un nucleo in polistirolo con laminazione in fibra di vetro. Vengono installati i pannelli solari, l’MPPT, il BMS, la batteria, il Flight Controller e il gruppo motore-elica
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2027 Q1 — maiden FLIGHT E VALIDAZIONE
Sarà il momento del battesimo dell'aria: il prototipo CUPID staccherà finalmente le ruote da terra. Inizialmente ci concentreremo su voli brevi per testare la stabilità generale, la manovrabilità e la tenuta del pacco batterie sotto sforzo operativo. Una volta validate queste prime metriche cruciali, alzeremo l'asticella con voli di durata progressivamente maggiore, mettendo alla prova l'efficienza termica del sistema per avvicinarci concretamente all'ambizioso traguardo delle 6 ore di autonomia.
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Dal 2027 — Upgrade Strutturale e Applicazioni Reali
L'ultima parte dell'anno segnerà il passaggio decisivo da prototipo sperimentale a vera e propria piattaforma operativa. Parallelamente all'upgrade strutturale, che ci vedrà passare alla fibra di carbonio per massimizzare il rapporto peso/potenza, il focus si sposterà sull'integrazione avanzata dei payload. Equipaggeremo CUPID con telecamere a infrarossi e sensori ad alta precisione per dargli uno scopo concreto e immediatamente spendibile. Sfruttando le 6 ore di autonomia previste, il drone diventerà lo strumento ideale per il monitoraggio ambientale su vasta scala, la sorveglianza di infrastrutture o il supporto vitale nelle missioni di ricerca e soccorso. L'obiettivo non sarà più solo volare in modo sostenibile, ma trasformare la nostra ricerca in una soluzione tecnologica altamente appetibile e pronta per fare la differenza sul mercato.