Un dron dotado de generación híbrida de energía, solar fotovoltaica y eólica, capaz de despegar verticalmente y mantenerse en vuelo estacionario, como un helicóptero, como así también de desplazarse horizontalmente con alas, como un avión, podría llevar a cabo misiones con objetivos diversos y de larga duración en áreas inhóspitas de la Tierra o en otros planetas con atmósfera, como es el caso de Marte. El proyecto de un vehículo aéreo no tripulado (VANT, como se denomina oficialmente a los drones) con estas características fue dirigido por el ingeniero mecánico Alysson Nascimento de Lucena, del estado brasileño de Rio Grande do Norte, con la colaboración de investigadores de la Universidad Federal de Rio Grande do Norte (UFRN) y del Instituto Tecnológico de Aeronáutica (ITA), de São José dos Campos (São Paulo). En diciembre de 2023, los inventores del Vant Marte, como ellos lo bautizaron, registraron la patente del aparato en el Instituto Nacional de la Propiedad Industrial (INPI).
Lucena se inspiró en los problemas que presentaron los dispositivos con propulsión solar de la Nasa, la agencia espacial estadounidense, en sus misiones en Marte. En 2022, el dron Ingenuity, el primero en sobrevolar suelo marciano, quedó inutilizado durante días por la imposibilidad de recargar sus baterías, debido a que la acumulación de polvo impedía que los rayos solares llegaran a las placas fotovoltaicas acopladas en su estructura. Ese mismo año, también en Marte, las dificultades para captar energía solar por la acumulación de polvo condujeron al abandono de la misión de investigación geológica de la sonda InSight.
“La batería de un VANT proporciona una autonomía de vuelo de 20 a 30 minutos. La mayor parte del tiempo permanece en reposo, recargando la batería. En las misiones a Marte, este tiempo de reposo conlleva una acumulación de polvo sobre las placas fotovoltaicas, lo que reduce la eficiencia de la recarga, no habiendo humanos cerca ni un sistema autónomo de remoción de ese polvo”, explica Lucena.
La innovación propuesta por el ingeniero mecánico, aún en fase de diseño (no hay un prototipo desarrollado), es un dron con alas, en las que se instalarán las placas fotovoltaicas. Un sistema compuesto por un único conjunto motopropulsor con dos rotores coaxiales ‒dos hélices sincrónicas superpuestas‒ será el responsable del empuje durante el vuelo.
Cada rotor estará dotado de un sistema de control que permitirá que el paso (o ángulo) de cada pala de la hélice pueda ajustarse de forma independiente. Cuando el dron se encuentre en reposo, una de las aspas podrá estar alineada a noventa grados, en perpendicular a la dirección del viento, mientras que la otra podrá mantenerse neutra, a cero grados (véase la figura abajo). “Un algoritmo calculará la dirección del viento y posicionará la hélice para aprovechar al máximo la generación de energía eólica”, describe Lucena. Durante el vuelo vertical, el movimiento de las hélices generará viento que ayudará a remover el polvo depositado sobre las placas fotovoltaicas.
Alexandre Affonso, con base en dibujos de la UFRNPara un mejor aprovechamiento de la generación de energía eólica, el ángulo de cada pala de la hélice puede ajustarse en forma independiente, perpendicularmente (palas celestes) o alineadas con el viento (palas azules)Alexandre Affonso, con base en dibujos de la UFRN
“El uso de las palas de los rotores para generar energía cuando el dron está en tierra es una idea excelente y novedosa”, comenta el ingeniero electricista João Batista Dolvim Dantas, tecnólogo sénior del Comando Aeronáutico, experto en robótica y en aeronaves pilotadas por control remoto. “La generación híbrida, eólica y fotovoltaica maximiza la duración de la misión de un VANT sin necesidad de manipulación humana directa. Un dron con estas características podrá recolectar datos durante extensos períodos de tiempo y a grandes distancias en regiones desérticas o polares, así como en ambientes que representen un peligro para la vida, como las zonas de actividad volcánica”, subraya Dantas.
El Vant Marte es híbrido por partida doble, ya que además de su capacidad para generar energía eólica y fotovoltaica, posee un sistema de soporte de vuelo dual, con hélice y ala fija. “Esta combinación de soporte de vuelo amplía su eficiencia operativa”, dice el ingeniero mecánico Raimundo Carlos Silvério Freire Júnior, director del máster de Lucen en la UFRN, quien también participó en el desarrollo. Un dron exclusivamente multirrotor aterriza y despega verticalmente ‒sin necesidad de una pista estas operaciones‒ y puede mantenerse en vuelo estacionario, pero el consumo de energía para mantener el rotor en funcionamiento es alto. En tanto, un dron exclusivamente de ala fija requiere una pista, pero cuenta con la ventaja del ala como soporte del vuelo horizontal, lo que reduce el consumo de combustible y proporciona mayor velocidad. “El dron híbrido conjuga las ventajas de ambos sistemas”, dice Freire Júnior.
Los VANT con soporte de vuelo híbrido no son nada nuevo. Ya se utilizan, aunque en forma incipiente y principalmente en el exterior, en misiones militares y de defensa civil. “La combinación de ala y hélice permite la vigilancia de una amplia región utilizando el ala. Si se detecta un punto de interés específico, el dron puede detenerse y sobrevolarlo. En una misión de rescate, tras detectar el objetivo, el dron puede aproximarse para visualizar la situación más detalladamente o entregar un material necesario”, pone como ejemplo la ingeniera electrónica Neusa Maria Franco de Oliveira, supervisora del posdoctorado de Lucena en el ITA, donde coordina el proyecto de un VANT con soporte de vuelo híbrido y batería de recarga tradicional.
El Vant Marte fue concebido durante el doctorado de Lucena en ingeniería eléctrica y computación en la UFRN. Según el ingeniero de sistemas informáticos Luiz Marcos Garcia Gonçalves, director del doctorado de Lucena, aún quedan retos importantes por resolver para hacer que el dispositivo sea funcional en su operación a grandes distancias. El principal es el desarrollo de algoritmos para la toma de decisiones en forma autónoma, como un mejor aprovechamiento del viento para la generación eólica o cuando, en vuelo, debe optar por el uso de la hélice o el ala.
En este momento, los investigadores se encuentran abocados a la búsqueda unos 2 millones de dólares en fondos, según estiman, para el desarrollo de un prototipo del dispositivo, con todas las operaciones autónomas ya incorporadas y diseñado para volar en un ambiente de baja presión atmosférica, como el que existe en el planeta rojo.
Lucena trabaja actualmente como ingeniero mecánico en Equatorial Sistemas, una empresa aeroespacial con sede en São José dos Campos (São Paulo), en el sector a cargo del desarrollo de drones innovadores. Uno de los proyectos en marcha es un modelo de soporte híbrido impulsado a hidrógeno. Este modelo de dron, de gran tamaño, pesará 200 kilogramos (kg) y se utilizará para el transporte de cargas de aproximadamente 50 kg, con una autonomía de vuelo de 450 kilómetros. La meta de la compañía es construir un aparato más grande, de 600 kg, capaz de transportar cargas de 200 kg. “En un futuro no muy lejano, los drones cobrarán importancia en la logística del transporte urbano de cargas”, anticipa el ingeniero.
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