A empresa britânica de defesa Qinetiq, que construiu o avião - batizado de Zephyr - disse que o aparelho voou por 54 horas durante os testes.
Os pesquisadores dizem que foi a primeira vez que uma nave movida a energia solar voou com energia própria durante duas noites consecutivas.
O recorde anterior para aviões sem tripulação foi estabelecido em 2001 por um jato de rastreamento Global Hawk da Força Aérea americana que voou durante mais de 30 horas.
O vôo de 54 horas do Zephyr não vai entrar no livro dos recordes porque representantes da federação mundial de esportes aéreos - Fédération Aéronautique Internationale ou FAI na sigla francesa - não foram avisados do teste, feito em segredo.
Entretanto, a entidade foi informada sobre um segundo vôo, com duração de 33 horas, que talvez possa se tornar o novo recorde oficial.
A equipe que desenvolveu o avião diz estar convencida de que construiu um batedor de recordes, qualquer que seja a decisão da FAI.
"Este avião irá muito mais alto e muito mais longe", disse à BBC Chris Kelleher, diretor técnico e "piloto" do Zephyr. "Você ainda não viu nada".
O Zephyr foi desenvolvido para tirar fotos de um balão gigante de hélio projetado para quebrar o recorde mundial de altitude para balão de gás em 2003. O projeto teve de ser abandonado por causa de um vazamento no balão.
Mas a empresa continuou a desenvolver o avião para usos militares, observação da Terra e comunicações.
Os testes mais recentes foram feitos na base americana militar White Sands Missile Range, no Novo México.
Durante o primeiro vôo, a aeronave, que tem um comprimento de asa de 18 metros, voou durante mais de dois dias antes de apresentar uma falha. O segundo vôo, mais curto, foi interrompido por causa de uma tempestade.
"O que ficou provado - e o que foi inédito no mundo - é que o avião voou usando seu sistema solar-elétrico de energia durante dois ciclos diurnos completos", disse Paul Davey, diretor comercial do Zephyr.
"A aeronave voou com energia solar e carregou suas baterias durante o dia, descarregou as baterias durante a noite e continuou no alto na madrugada seguinte, quando o ciclo foi repetido", disse Davey.
Durante os vôos, o Zephyr chegou a mais de 18 mil metros.
O avião foi manualmente decolado e conduzido até uma altitude de três mil metros.
"No solo temos toda a instrumentação que um piloto veria em um avião tripulado", explicou Kelleher.
"Temos um painel básico de instrumentos, visão dianteira (obtida por uma câmera) e toda a telemetria voltando para nós".
Um piloto automático assumiu os controles durante o restante dos testes.
O Zephyr não é o primeiro avião movido a energia solar a voar durante uma noite inteira.
Uma nave chamada SoLong, desenvolvida pela empresa americana AC propulsion, voou durante 48 horas em 2005.
Entretanto, a nave não foi movida a motor constantemente durante o vôo. Em algumas ocasiões ela teve de planar.
Outras companhias e organizações desenvolveram aeronaves similares, entre elas a Nasa.
A empresa suíça ETH também está construindo uma nave deste tipo, embora bem menor do que o Zephyr, para uso em Marte.
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