Investigadores de la Universidad Johannes Kepler (JKU) de Linz, en Austria, han desarrollado células solares ultrafinas y ultraligeras que pueden recargar un dron. Cuando hay suficiente luz solar disponible, este módulo solar puede generar 250 mW de potencia o 44 vatios por gramo. No es mucha potencia, pero la prueba de concepto es notable y permite que los drones operen de forma más autónoma. Los investigadores desarrollaron y volaron un dron autónomo híbrido con energía solar, al que llaman Solar Hopper, para probar el rendimiento de sus células solares. Durante las pruebas de vuelo, la tolva solar pudo operar y completar múltiples ciclos de carga-vuelo-carga simplemente usando la luz solar para cargar sus baterías.
“La tolva solar muestra cómo un vehículo aéreo con autonomía energética puede ejecutar diversas tareas, como mapeo a gran escala, vigilancia, búsqueda y rescate, reconocimiento, etc. Al completar su misión, la tolva se recarga y comienza de nuevo, destacando su capacidad para funcionan continuamente sin fuentes de energía externas”, dijo a ZME Science Christoph Putz, uno de los investigadores y estudiante de doctorado en JKU Linz.
Células solares de perovskita para drones
Mientras que las células solares convencionales están hechas de silicio, las células ultrafinas y ultraligeras que alimentan la tolva solar están compuestas de perovskita. Se trata de un mineral de óxido de calcio y titanio que se utiliza en LED, aplicaciones de baterías de iones de litio, fotodetectores y láseres.
En los últimos años, las células solares basadas en perovskita también han ganado mucha atención debido a su potencial para una fabricación de alta eficiencia y bajo costo. Un estudio de 2016 sugiere que, mientras que las células de silicio cuestan 75 centavos para producir un vatio de energía en condiciones ideales de luz solar, las células de perovskita pueden lograr la misma producción por solo entre 10 y 20 centavos.
Según los investigadores, estas células también ofrecen numerosas ventajas sobre las células solares de silicio convencionales en el contexto de la alimentación de drones autónomos. Por ejemplo, las células solares de perovskita se pueden fabricar en capas ultrafinas, lo que las hace excepcionalmente ligeras sin sacrificar la producción de energía. De hecho, las células solares del Solar Hopper son 20 veces más delgadas que un cabello humano.
En comparación con las células de silicio, también ofrecen una alta relación potencia-peso, lo que las hace ideales para aplicaciones en las que el peso es primordial, como los vehículos aéreos. Además, pueden funcionar bien incluso en condiciones de poca luz y, por lo tanto, son adecuados para drones que operan en entornos de iluminación variable, como áreas nubladas o parcialmente sombreadas. Además, pueden fabricarse sobre sustratos flexibles, lo que los hace livianos y maleables para superficies complejas.
“Al aprovechar estas ventajas, las células solares de perovskita ofrecen una solución convincente para alimentar vehículos aéreos autónomos, permitiendo tiempos de vuelo más largos, mayor alcance operativo y capacidades de misión mejoradas”, dijo Putz.
Además, “las células solares ultrafinas no son exclusivas de los drones cuadricópteros. Varios vehículos aéreos, incluidos aviones, dirigibles e incluso dispositivos electrónicos portátiles como relojes inteligentes, biosensores o teléfonos inteligentes, también pueden aprovechar esta tecnología para mejorar el rendimiento”, añadió.
Las pruebas de vuelo del Solar Hopper
Solar Hopper es un dron cuadricóptero de potencia híbrida con una apariencia distintiva, equipado con un marco circular con 24 células solares de perovskita interconectadas. Todo el módulo solar es 25 veces más ligero que el dron y el peso de las células de perovskita es sólo el 0,25% del peso total del avión. Por lo tanto, agregar el marco circular a un dron no afecta el rendimiento ni la estabilidad durante el vuelo.
Los investigadores realizaron múltiples pruebas de vuelo del Solar Hopper durante las cuales el dron se recargó utilizando el módulo solar a bordo. Descubrieron que Solar Hopper podía volar durante más de dos minutos y luego recargarse completamente en aproximadamente 1,5 horas en el estado de ahorro de energía, con la comunicación apagada. Mientras que en estado listo para volar, con todos los canales de comunicación activados, el dron tardó 3,5 horas en recargarse.
“En nuestro estudio, hemos demostrado seis ciclos de vuelo-recarga-vuelo sin ningún indicio de degradación del rendimiento. Vale la pena señalar que no hemos optimizado la eficiencia del dron. Nuestro objetivo era demostrar cómo un producto disponible en el mercado se puede convertir en un dron energéticamente autónomo simplemente integrando nuestras células solares”, dijo Putz a ZME Science.
Para comparar el cambio en el tiempo de vuelo, los investigadores también volaron la tolva solar sin el módulo solar. Observaron que cuando se llevan células solares a bordo, el tiempo de vuelo del avión aumenta casi un 6%.
Este es solo el comienzo
Los resultados de las pruebas de vuelo del Solar Hopper muestran que podemos volar drones utilizando la luz solar. También sugiere que las células solares de perovskita ultraligeras pueden abrir nuevos caminos para integrar las células solares en nuevos diseños de drones, ampliar sus tiempos de vuelo, aumentar la capacidad de carga útil y mejorar el rendimiento general de los vehículos aéreos energéticamente autónomos.
Además, esta tecnología tiene el potencial de reemplazar o aumentar varias fuentes de energía existentes en una variedad de aplicaciones. Por ejemplo, en emergencias como desastres naturales, las células solares ultrafinas integradas en refugios de emergencia, equipos de comunicación o dispositivos médicos podrían proporcionar una fuente confiable de electricidad cuando las fuentes de energía tradicionales no están disponibles o están interrumpidas. Sin embargo, los módulos de células solares de perovskita como el utilizado por los investigadores todavía tienen muchas limitaciones y no están listos para un uso a gran escala.
Por ejemplo, el diseño actual del módulo solar sólo puede alimentar drones de pequeña escala y no puede utilizarse para vehículos aéreos grandes. El proceso de recarga de la celda requiere mucho tiempo.
Putz y sus colegas tienen la esperanza de que, con más investigaciones, puedan mejorar la escalabilidad, el rendimiento y la estabilidad de su módulo solar, y hacerlo factible para su uso en drones a gran escala y otras aplicaciones. Por otra parte, investigadores de la Universidad Queen Mary de Londres desarrollaron su propio cuadricóptero impulsado por energía solar, un avión de 70 gramos que puede volar durante un tiempo promedio de 3,5 minutos y recargarse en aproximadamente 68 minutos.
“Los esfuerzos continuos de investigación se centrarán en mejorar aún más la estabilidad ambiental y la eficiencia de las células solares de perovskita ultrafinas, garantizando su confiabilidad para su uso a largo plazo en diversas aplicaciones”, dijo Putz a ZME Science.
El estudio se publica en la revista Nature Energy.
Fuente: ZME Science.
