Los materiales detrás de los drones modernos: de la fibra de carbono a las baterías de iones de litio

Principales materiales usados en drones:

• Compuestos reforzados con fibra de carbono (CRFC)
• Termoplásticos como poliéster, nailon, poliestireno, etc.
• Aluminio
• Baterías de iones de litio

Parece que fue ayer cuando los drones eran novedades, prototipos construidos por empresas y aficionados emprendedores. Ahora parece que los drones han conquistado el mundo. Están en todas partes, sirviendo en industria, arte e incluso como juguetes infantiles. A menudo se pasa por alto que estas pequeñas máquinas voladoras solo se volvieron comunes recientemente. Los drones aún están en su infancia, y a medida que mejoran las tecnologías de materiales y microcontroladores, los drones del futuro evolucionarán de formas que pueden parecer casi ciencia ficción.

Al examinar cómo se diseñan los drones y los materiales de los que están hechos, podemos entender cómo se desarrolló esta importante tecnología y tener una idea de cómo podría avanzar en el futuro próximo.

Entonces, ¿qué son los drones? ¿Cómo se diseñan? ¿Y qué impulsa su auge como tecnología generalizada?

Descubrámoslo.

¿Qué son los drones?

Para la mayoría, un «drón» es un tipo específico de vehículo aéreo no tripulado (UAV): el multirrotor o multicóptero. Como su nombre indica, estas máquinas vuelan dirigiendo el empuje hacia abajo desde dos o más hélices accionadas por motor.

Los modelos de consumo más populares son cuadricópteros (4 rotores), pero las variantes comerciales incluyen hexacópteros (6 rotores) y octocópteros (8 rotores) para mayor elevación. Aunque hay una amplia variedad de drones militares y civiles, nos centraremos en drones multirrotor comunes y sus materiales.

Para volar, los drones deben generar suficiente empuje ascendente para superar su propio peso, por lo que la selección de materiales en un dron está dominada por minimizar su masa.

Cada gramo de material usado para hacer un dron cuesta energía levantarlo, y cada gramo que se ahorra mejora el rendimiento:

• Mayor capacidad de carga
• Tiempo de vuelo extendido
• Inercia reducida y maniobrabilidad mejorada

Este proceso de seleccionar materiales y diseñar componentes para minimizar la masa se llama «aligeramiento». Esto nos da el criterio más importante de selección de propiedades de materiales: minimizar la masa seleccionando materiales de baja densidad.

Desglose pieza por pieza

Los drones son dispositivos complejos compuestos de diferentes componentes trabajando juntos. Cada componente cumple una función distinta, por lo que entran en juego diferentes consideraciones al seleccionar materiales para cada parte. Sin embargo, para cada pieza de un dron, la densidad del material debe tenerse en cuenta para minimizar el peso y maximizar el rendimiento.

El chasis: manteniéndolo todo unido

El chasis da forma al dron y mantiene todos los subsistemas en su lugar. Como cumple una función mecánica, la propiedad de material más importante para el chasis es la resistencia. Para drones comerciales, termoplásticos como variantes de nailon, poliéster y poliestireno son opciones populares porque son baratos de fabricar en piezas complejas mediante procesos de moldeo por inyección.

Los termoplásticos también ofrecen buena resistencia y baja densidad, con varias variedades teniendo resistencias a la tracción superiores a 100 MPa y densidades bajo 2 g/cm³. Muchos termoplásticos también están disponibles en filamentos para imprimir en 3D piezas personalizadas, lo que los hace populares en drones experimentales.

Mientras los drones comerciales pueden sacrificar algo de peso para ser más asequibles, los drones industriales priorizan el rendimiento. Un material alto en resistencia puede usarse en menores cantidades, logrando un dron aún más ligero y de alto rendimiento.

Si usamos una búsqueda en Matmatch para encontrar los materiales de menor densidad y mayor resistencia, hallamos la mejor opción para chasis de drones de alto rendimiento: compuestos reforzados con fibra de carbono. Estos compuestos ofrecen alta resistencia, baja densidad y alta rigidez para chasis ligeros y rígidos.

Motores y hélices: despegue

Sin una fuente de empuje, un dron nunca despegaría. Los motores que impulsan los drones son motores eléctricos convencionales con bobinados de cobre e imanes permanentes. La carcasa de los motores puede elegirse para minimizar peso, y tanto termoplásticos como aleaciones de aluminio presentan buenas relaciones resistencia-peso.

Sin embargo, los motores pueden generar calor significativo. Por tanto, materiales con alta conductividad térmica, como el aluminio, pueden usarse para la carcasa para ayudar a refrigerar el motor.

Las aspas del rotor de los drones giran a altas velocidades, por lo que tienden a absorber el mayor desgaste cuando un dron vuela (o se estrella). Al igual que con los materiales del chasis, elegir un material óptimo para aspas de rotor es cuestión de maximizar resistencia minimizando peso.

Algunas aspas de rotor son de compuestos reforzados con fibra de carbono. Sin embargo, las aspas se dañan y reemplazan frecuentemente, así que muchas son de termoplásticos para reducir el coste de reemplazo al romperse.

Como las aspas suelen dañarse en impactos a alta velocidad mientras giran, un ingeniero que busque diseñar una aspa duradera podría filtrar materiales por resistencia al impacto y densidad para seleccionar uno adecuado.

Baterías: la energía para volar

De todos los componentes de un dron, las mejoras en tecnología de baterías podrían ser el avance más importante que hizo posibles los drones multirrotor modernos. Al igual que las relaciones resistencia-peso se consideran al diseñar componentes mecánicos, el rendimiento de la batería puede medirse en términos del peso de la batería.

Medidas como la energía específica (J/kg) y la potencia específica (W/kg) describen la capacidad de la batería para almacenar y liberar energía en términos de su masa.

Las antiguas baterías de plomo-ácido y Ni-Cd pesaban demasiado para que un dron que alimentaran volara mucho, si es que podía despegar. Sin embargo, las modernas baterías de iones de litio ofrecen suficiente energía y potencia en un paquete ligero para hacer posibles los drones multirrotor actuales. Futuros avances en baterías y capacitores permitirán drones aún más ligeros y de mayor rendimiento.

Sensores: el sistema nervioso del dron

Los drones multirrotor realizan un equilibrio delicado cada vez que vuelan. Si un motor da demasiado empuje, el dron se inclina o incluso voltea. Al igual que el cuerpo humano usa una compleja red de sentidos y nervios para equilibrarse al caminar, los drones multirrotor usan un impresionante conjunto de sensores y mecanismos de retroalimentación para mantenerse en el aire.

Las partes más vitales del «sistema nervioso» de un dron son sus sensores de inclinación. Combinando sensores giroscópicos y acelerómetros, los sensores de inclinación están vinculados en bucles de retroalimentación con los motores del dron.

Un dron en vuelo hace constantemente minúsculos ajustes al empuje de los motores para mantenerse nivelado, permitiéndole recuperarse de corrientes de aire y maniobras extremas. Algunos drones avanzados también pueden inclinar independientemente cada rotor, permitiendo al dron controlar tanto la dirección como la fuerza del empuje de cada rotor.

Los drones también pueden emplear una variedad de otros sensores para monitorizar sus sistemas internos y el entorno. Sensores de corriente y voltaje ayudan al dron a rastrear la energía consumida de sus reservas, ayudando al piloto a saber cuándo aterrizar y recargar.

Sensores GPS y magnéticos ayudan en la navegación midiendo la ubicación y orientación del dron. Sensores de flujo de aire permiten a los drones detectar su velocidad aérea o corrientes de viento, y esa información puede retroalimentarse a sus circuitos de equilibrio para hacer el vuelo aún más estable.

Microcontroladores y cámaras: drones más inteligentes

Los mismos avances en tecnología de microchips que crearon el smartphone moderno hacen posible que los drones sean computadoras voladoras. Muchos de los mismos chips que se encuentran en smartphones (Intel, Nvidia, Qualcomm, Arm, etc.) también aparecen en drones.

A medida que los drones se vuelven más inteligentes, son capaces de asumir tareas más sofisticadas con menos control humano. Actualmente, esto significa que los drones pueden seguir rutas predeterminadas sin piloto humano o registrar mediciones de una gama aún mayor de sensores. Pero los investigadores están aprendiendo a programar drones para realizar tareas cada vez más complejas sin ayuda humana.

Para la mayoría, el propósito principal de los drones es llevar una cámara a alturas que un humano no podría alcanzar. Incluso drones básicos de consumo llevan una cámara que transmite vídeo a un smartphone o graba imágenes en memoria.

Los estudios de cine usan drones de alta gama para rodar sus superproducciones. Sin embargo, avances en «visión por computadora» están convirtiendo las cámaras en algo más que una carga o ayuda para pilotos humanos. Los drones del futuro usarán cámaras para ver el mundo alrededor y usar esa información para pilotearse a sí mismos.

Los drones son cada vez más capaces de volar sin ayuda de un piloto humano ni incluso GPS para navegar, dando lugar a una nueva capacidad poderosa: drones trabajando juntos. Los enjambres de drones previos estaban compuestos por equipos que usaban GPS y se comunicaban con un controlador central para determinar dónde encajaba cada individuo.

Sin embargo, investigaciones de vanguardia han producido drones que usan sus propios sensores a bordo, e incluso sus cámaras, para reconocer otros drones y volar en formación. Pronto, puede ser común ver equipos de drones autónomos actuando como salvavidas, cuidando cultivos o volando en formaciones de búsqueda para ayudar en esfuerzos de ayuda en desastres.

Tecnología con impacto global

Los drones parecen estar en todas partes ahora. Ruedean películas, protagonizan películas, ayudan a vender inmuebles, retransmiten deportes, crean nuevos deportes, trabajan en granjas y fábricas, cazan otros drones, y pronto pueden entregar paquetes. A medida que mejoran materiales, IA y microcontroladores, los drones seguirán revolucionando una amplia gama de industrias.

El futuro de los drones

Los drones crecen en popularidad día a día y revolucionan cómo el mundo trabaja y juega. Los materiales usados en drones se seleccionan para mejorar rendimiento con chasis de alta resistencia y alta capacidad de batería minimizando peso.

Minimizar el peso de los drones maximiza su rendimiento, ya sea para que un dron de cine haga tomas más largas o un dron de carreras sea aún más maniobrable. Los drones se vuelven constantemente más inteligentes, y no pasará mucho antes de que los drones autónomos sean parte inherente de la vida cotidiana.