Paneles Solares Flexibles Permiten Vuelos Más Largos para Drones Autónomos

Un equipo de investigadores liderado por ingenieros de la Universidad Johannes Kepler de Linz ha presentado un diseño de panel solar ultra ligero y eficaz. Los nuevos paneles solares flexibles abren la puerta a una variedad de aplicaciones de próxima generación, incluidos drones de carga autónoma y más. Esto es lo que necesitas saber.

Por qué los drones necesitan sistemas de energía autónomos

La humanidad sigue buscando fuentes de energía autónomas para impulsar la investigación y la exploración. Existen muchos escenarios en los que estos sistemas son la única opción. Por ejemplo, el helicóptero marciano Ingenuity demostró el poder y las capacidades adicionales que ofrecen estos sistemas. El dron autosuficiente alimentado por energía solar realizó varios vuelos no tripulados en Marte, proporcionando una gran cantidad de datos a ingenieros e investigadores.

Cómo la energía solar habilitó el helicóptero marciano de la NASA

Al examinar el éxito de Ingenuity, es fácil ver que los sistemas de energía autónoma del dron fueron un componente crítico de la misión. Sin la capacidad de recargarse después de un uso prolongado, el helicóptero marciano habría sido un vuelo único, difícil de justificar.
Sin embargo, la capacidad de la nave para recargarse a sí misma le permitió llevar a cabo múltiples misiones con gran éxito. Específicamente, la nave utilizó un panel solar para regenerar sus seis baterías de iones de litio. Estas baterías proporcionaban 90 segundos de tiempo de vuelo cuando estaban completamente cargadas.

Por qué la energía solar es la única fuente viable para drones espaciales

Hay varias razones por las que solo la energía solar funcionaría para las necesidades de viajes espaciales. En primer lugar, el costo de transportar elementos como combustible, motores u otros componentes es demasiado alto como para que crear un sistema que los maneje valga la inversión.
Además, las estaciones de carga, los cables y otros requisitos habrían hecho que el helicóptero fuera demasiado pesado para volar. En Marte, se necesita mucho más impulso para generar vuelo debido a las diferentes condiciones atmosféricas del planeta. Por ello, los ingenieros deben asegurarse de que sea lo más ligero posible. Los paneles solares fueron la solución obvia.

Qué son las celdas solares de perovskita y por qué son importantes

De entre las muchas opciones de energía renovable disponibles para los investigadores, los paneles solares son los más accesibles y tienen más sentido. Los desarrollos recientes han hecho que los paneles solares sean más eficientes y ligeros. El uso de celdas solares de perovskita ha sido un cambio de juego por muchas razones.
Las celdas solares de perovskita brindan a los ingenieros la capacidad de crear celdas solares ultra delgadas y flexibles. Estas celdas pueden ofrecer alta eficiencia desde un diseño liviano. Este diseño convierte a las celdas solares de perovskita en una de las más utilizadas al hablar de alimentar drones.

Desafíos que limitan la adopción de la perovskita

Existen varios problemas que han obstaculizado el desarrollo y la aplicación de las celdas solares de perovskita. En primer lugar, tienen una pobre estabilidad operativa. Estos dispositivos son sensibles, y cualquier cambio brusco de movimiento, colisión o incluso polvo puede reducir su efectividad. Afortunadamente, los ingenieros han creado variaciones únicas que pueden manejar casos de uso más específicos, como los drones autónomos.

Dentro de la tecnología: Celdas solares de perovskita 2D

Las celdas solares de perovskita integran una estructura cristalina en capas para crear un diseño más ligero y eficiente. Estas unidades son el tipo de panel solar más avanzado disponible hoy en día. Integran láminas de haluro metálico que utilizan espacio orgánico para maximizar la conversión de luz. Cabe destacar que las perovskitas 2D tienen una fórmula química de RAn‑1BnX3n+1.

Beneficios de los paneles solares de perovskita 2D para drones

Hay varias razones por las que las celdas 2D de perovskita siguen siendo la mejor opción para los ingenieros de drones. En primer lugar, proporcionan mejor estabilidad térmica y contra la humedad. Los espacios orgánicos incorporados en estos dispositivos son cruciales, ya que actúan como barreras hidrofóbicas.
Además, las celdas solares de perovskita ofrecen un mayor rendimiento cuántico de fotoluminiscencia (PLQY) en comparación con la versión tradicional. La estructura cristalina permite que estas unidades proporcionen energía más estable y uniforme en todo el dispositivo. Curiosamente, ahora existen celdas solares de perovskita 3D. La principal diferencia es la disposición precisa de los cristales.

Resumen del estudio: Avance en paneles solares flexibles y ultraligeros

El estudio “Flexible quasi-2D perovskite solar cells with high specific power and improved stability for energy‑autonomous drones,”¹ publicado en Nature, arroja luz sobre un nuevo tipo de celda solar.

Las celdas solares cuasi‑dos‑dimensionales sin óxido conductor transparente proporcionan generación de energía fiable y estable a partir de un diseño diminuto y liviano. El nuevo diseño podría ayudar a alimentar futuras exploraciones espaciales y más.

Fuente – Nature Energy

Los investigadores de la JKU compartieron su proceso de diseño y fabricación de las celdas solares cuasi‑2D ultra ligeras. Comenzaron asegurándose de que el dispositivo fuera muy delgado y flexible.

Los ingenieros también añadieron yoduro de alfa‑metilbencilamónio directamente en la capa perovskita fotoactiva. Este paso facilitó la aplicación de una lámina de polímero ultrafina de solo 2,5 µm. Impresionantemente, esto es 20 veces más pequeño que un cabello humano. A partir de ahí, se recubrió con una capa de barrera de alúmina, ayudando a optimizar aún más las capacidades de generación solar.

 Pruebas en el mundo real en plataformas de drones autónomos

Como parte del proceso de pruebas, el equipo modificó un cuadricóptero comercial para utilizar sus paneles solares. Específicamente, se conectaron 24 celdas solares de 1 cm² entre sí al dispositivo. Cabe destacar que estas celdas eran ultra delgadas y ligeras, pesando menos de 1/400 del peso total de la nave.
Los ingenieros realizaron múltiples pruebas para asegurar que su dispositivo funcionara correctamente y pudiera producir la energía que predijeron durante la demostración de rendimiento y estabilidad. El dispositivo registró una potencia específica de campeonato de 44 W/g, con un promedio ligeramente inferior de 41 W. El dispositivo pudo generar una tensión de circuito abierto de 1,15 V. En total, alcanzó una eficiencia del 20,1 %, con un promedio de 18,1 %.

Resultados de rendimiento: Densidad de potencia y métricas de eficiencia

Los resultados mostraron que las celdas solares de perovskita ultra ligeras ofrecían una solución rentable para dispositivos de captura de energía autónomos. El notable rendimiento y la salida de potencia de 44 W por gramo hacen que se destaque frente a las tecnologías competidoras actuales.
Además, la prueba demostró que estas unidades de energía podrían permitir que los drones realicen vuelos más largos y ejecuten ciclos consecutivos de carga‑vuelo‑carga sin recarga mediante cables. Estos factores indican que este enfoque permitirá que los dispositivos autónomos operen a nivel global.

Por qué los paneles solares flexibles de perovskita son un cambio de juego

Varios beneficios acompañan al nuevo diseño de panel solar. En primer lugar, proporcionan electrónica ultra ligera y de alta eficiencia energética con la capacidad de alimentarse a sí misma. En el futuro, tus dispositivos electrónicos podrían no necesitar enchufes ni costos de operación. En su lugar, podrían cosechar energía directamente usando estas celdas solares.

Ligero

El diseño ligero de estas celdas solares las hace ideales para su uso en vuelos autónomos u otras aplicaciones diminutas. Estas celdas son lo suficientemente pequeñas como para permitir que los dispositivos sigan volando sin interferir con sus operaciones. Por lo tanto, es seguro que encontrarán más integración en el futuro.

Adaptable

Estas celdas solares son altamente adaptables para cumplir una variedad de escenarios de uso. Pueden formarse en patrones particulares o adaptarse a una superficie pequeña y proporcionar suficiente energía para completar tareas. En el futuro, los ingenieros buscarán crear diseños aún más flexibles.

Altamente eficiente

La eficiencia de los paneles solares ha sido una preocupación importante desde los primeros días de la tecnología. Los paneles solares actuales no son muy eficientes, ya que la mayor parte de la energía se pierde en calor y otros factores. Este último diseño ayuda a mejorar la eficiencia y ofrece a los ingenieros mayor flexibilidad de diseño sin comprometer el rendimiento.

Casos de uso reales para paneles solares ligeros

Existe una amplia gama de aplicaciones para estos nuevos paneles. En primer lugar, su diseño ultra delgado y su salida de potencia los hacen ideales para diversas necesidades de generación de energía pequeña. Aquí tienes algunas aplicaciones potenciales para estos dispositivos.

Industria aeroespacial

La industria aeroespacial podría utilizar esta tecnología de varias maneras. Desde alimentar drones y naves con alcance ilimitado, hasta habilitar la exploración espacial hacia nuevos planetas. Ya la industria aeroespacial ha integrado iteraciones anteriores de esta tecnología para lograr hitos notables. Ahora, la tecnología está lista para impulsar una nueva generación de exploradores y científicos.

Electrónica portátil

Los dispositivos portátiles son un sector tecnológico de rápido crecimiento que abarca múltiples industrias. Estos dispositivos incluyen mucho más que tu smartphone. Existen dispositivos médicos que registran datos críticos para pacientes y que podrían ver ampliado su uso y vida útil gracias a esta tecnología. Además, los dispositivos de seguridad personal podrían funcionar más tiempo y ser más efectivos.

Internet de las cosas

El IoT es un sector tecnológico masivo que incluye miles de millones de dispositivos inteligentes. Actualmente, estos dispositivos dependen de baterías y fuentes de energía. En el futuro, podrían no necesitar ninguno de estos elementos, ya que la energía solar podría ayudarles a lograr los mismos resultados con menos esfuerzo. Cabe destacar que miles de millones de dispositivos inteligentes pertenecen a la categoría IoT. Por ello, integrar capacidades de autoalimentación sería un cambio de juego.

Búsqueda y rescate

Otro punto de interés importante es el uso de estos sistemas para alimentar drones de búsqueda y rescate. Ya se está viendo el uso de robots blandos que pueden adaptar su cuerpo para encajar en espacios estrechos, como moverse a través de tuberías o grietas, como la mejor opción para futuros esfuerzos de desastre y rescate. Añadir un sistema autosuficiente a estos dispositivos potenciaría sus capacidades y permitiría operaciones prolongadas.

Cartografía

Los drones alimentados por energía solar serían la solución ideal para operaciones de cartografía a gran escala. Puede que pienses que la cartografía es una ciencia antigua, pero la realidad es muy distinta. Cada día, la Tierra cambia, y los límites, recursos y otras características vitales también cambian. Por ello, mapear estos cambios es un aspecto esencial para rastrear el medio ambiente y otros desarrollos cruciales.
Los drones de cartografía inalámbricos y alimentados por energía solar podrían recorrer enormes áreas y proporcionar datos de cartografía actualizados sin intervención humana. Hacer que estos dispositivos funcionen con energía solar les ayudaría a alcanzar sus objetivos sin los retrasos asociados a regresar a estaciones de carga.

Conoce a los investigadores detrás del diseño innovador

Los investigadores de la Universidad Johannes Kepler de Linz lideraron el estudio de paneles solares flexibles. El artículo enumera a Bekele Haile Gnaw, Stepan Demchyshyn, Christoph Putz, Lukas E. Lehner, David Schiller, Roland Pruckner y Martin Kaltenbrunner como los autores principales. Ahora el equipo busca mejorar su diseño, haciéndolo más pequeño y eficaz.

Enfoque de acciones: First Solar y el futuro de la tecnología solar

Hay varias empresas que lideran la carrera de los paneles solares. Estas firmas continúan impulsando la innovación a nuevos niveles para ofrecer paneles más pequeños y eficientes al público. Este último desarrollo seguramente ayudará a estas empresas a alcanzar sus metas. Aquí tienes una compañía que está posicionada para aprovechar al máximo estos avances.

First Solar

First Solar (FLSR ) ingresó al mercado en 1999 como First Solar Holdings. Su objetivo era proporcionar paneles solares de alta gama y eficientes a clientes industriales y corporativos. Como tal, su mercado principal es el suministro de paneles a grandes plantas solares. La compañía tiene su sede en Tempe, Arizona.

Desde su lanzamiento, la empresa ha ampliado sus operaciones y su oferta de productos para incluir una gama de opciones relacionadas con la energía solar. Cabe destacar que la empresa fue pionera en la tecnología de semiconductores ultra finos y ha sido fundamental para impulsar la necesidad de un mayor reciclaje en el sector de los paneles solares. Hoy en día, se considera una de las opciones más respetuosas con el medio ambiente para la fabricación de paneles solares.

First Solar ha experimentado una caída en el precio de sus acciones durante el último año, en parte debido a los conflictos en Ucrania y otros factores. A pesar de la caída del valor, muchos analistas predicen que esta acción verá una mayor demanda en el futuro.

La compañía actualmente tiene nuevos productos en desarrollo y opera instalaciones de fabricación en EE. UU., Malasia y Vietnam. Aquellos que busquen una acción solar confiable y reconocida deberían considerar investigar más a fondo FSLR.

Últimas noticias sobre First Solar

El futuro de la energía solar: Dispositivos sin cables y autosuficientes

Al examinar la tecnología y el potencial de este estudio, queda claro que el futuro probablemente será impulsado por fuentes de energía renovable, como la solar. A medida que estos paneles se vuelvan más asequibles, más pequeños y eficientes, verán una integración mucho mayor.

En el futuro, es posible que no tengas que cambiar tus dispositivos electrónicos; en su lugar, solo tendrás que colocarlos junto a la ventana durante 10 minutos. Todo esto y más es posible gracias a los conceptos innovadores presentados en el estudio de paneles solares flexibles.

Conoce otros desarrollos de energía renovable aquí.

Estudios citados:

^{1. Hailegnaw, B., Demchyshyn, S., Putz, C. et al. Celdas solares cuasi‑2D de perovskita flexibles con alta potencia específica y estabilidad mejorada para drones energéticamente autónomos. Nat Energy 9, 677–690 (2024). https://doi.org/10.1038/s41560-024-01500-2}