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May 30, 2023

El nuevo sensor de viento utiliza materiales inteligentes para mejorar el rendimiento de los drones

Los ingenieros han diseñado y probado con éxito un sensor de viento más eficiente para su uso en drones, globos y otras aeronaves autónomas. Estos sensores de viento, llamados anemómetros, se utilizan para monitorear

Los ingenieros han diseñado y probado con éxito un sensor de viento más eficiente para su uso en drones, globos y otras aeronaves autónomas.

Estos sensores de viento, llamados anemómetros, se utilizan para monitorear la velocidad y dirección del viento. Según los investigadores, a medida que aumenta la demanda de aviones autónomos, se necesitan mejores sensores de viento para que a estos vehículos les resulte más fácil detectar los cambios climáticos y realizar despegues y aterrizajes más seguros.

Tales mejoras podrían mejorar la forma en que las personas usan su espacio aéreo local, ya sea a través de drones que entregan paquetes o de pasajeros que algún día vuelan en aviones no tripulados, dijo Marcelo Dapino, coautor del estudio y profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial en la Universidad Estatal de Ohio. .

"Nuestra capacidad de utilizar el espacio aéreo para mover o transportar cosas de manera eficiente tiene enormes implicaciones sociales", dijo Dapino. "Pero para operar estos objetos voladores, es necesario disponer de mediciones precisas del viento en tiempo real, ya sea que el vehículo sea tripulado o no". Además de ayudar a los objetos aéreos a cruzar largas distancias, las mediciones precisas del viento también son importantes para la previsión energética y la optimización del rendimiento de las turbinas eólicas, afirmó.

Su investigación fue publicada en la revista Frontiers in Materials.

Los anemómetros convencionales varían en la forma en que recopilan sus datos, pero todos tienen limitaciones, dijo Dapino. Debido a que los anemómetros pueden ser costosos de fabricar, consumir grandes cantidades de energía y tener una alta resistencia aerodinámica (lo que significa que el instrumento se opone al movimiento de la aeronave en el aire), muchos tipos no son adecuados para aeronaves pequeñas. Pero el anemómetro del equipo de Ohio State es liviano, de baja energía, baja resistencia y más sensible a los cambios de presión que los tipos convencionales.

Leon Headings, coautor del estudio e investigador asociado senior en ingeniería mecánica y aeroespacial en Ohio State, dijo que el instrumento fue fabricado con materiales inteligentes: materia con propiedades que pueden controlarse, lo que les permite sentir y reaccionar a su entorno. El equipo utilizó un polímero eléctrico llamado fluoruro de polivinilideno (PVDF). Utilizado ampliamente en revestimientos arquitectónicos y baterías de iones de litio, el PVDF puede ser piezoeléctrico, lo que significa que produce energía eléctrica cuando se le aplica presión. Esta energía se puede utilizar para alimentar el dispositivo. El voltaje medido o el cambio en la capacitancia de un trozo de película de PVDF flexible se puede correlacionar con la velocidad del viento.

El sensor PVDF está incorporado en un perfil aerodinámico, similar al ala de un avión, lo que reduce la resistencia aerodinámica. Debido a que el perfil aerodinámico puede girar libremente como una veleta, se puede utilizar para medir la dirección del viento.

Pero para probar cómo funcionaría su dispositivo una vez expuesto a la atmósfera terrestre, los investigadores diseñaron un experimento doble. Primero, se probó el sensor de presión en una cámara sellada para determinar su sensibilidad. Luego, el sensor se incorporó a un perfil aerodinámico y se probó en un túnel de viento. Los resultados mostraron que el sensor mide extremadamente bien tanto la presión como la velocidad del viento. Una pequeña brújula magnetométrica digital integrada en el perfil aerodinámico proporciona datos precisos de la dirección del viento midiendo la orientación absoluta del perfil aerodinámico en relación con el campo magnético de la Tierra.

Pero es necesario realizar más investigaciones para trasladar el concepto de sensor de viento de un entorno de investigación controlado a aplicaciones comerciales. Mientras su equipo continúa trabajando con PVDF y otros materiales avanzados para mejorar la tecnología de sensores, Dapino espera que su trabajo eventualmente conduzca a tecnología que pueda usarse fuera de los aviones, como turbinas eólicas para obtener energía limpia, eficiente y fácilmente disponible para el planeta. público.

"Se trata de materiales muy avanzados y se pueden utilizar en muchas aplicaciones", afirmó Dapino. "Nos gustaría aprovechar esas aplicaciones para llevar la generación de energía eólica compacta al hogar".

El proyecto es parte del Smart Vehicle Concepts Center, un centro de investigación cooperativa de la Universidad Industrial de la Fundación Nacional de Ciencias en el estado de Ohio. Eiji Itakura de Toyota Motors Corporation en Japón y Umesh Gandhi del Instituto de Investigación Toyota de Norteamérica lideran el equipo que apoyó esta investigación. El otro coautor del estudio fue Arun K. Ramanathan, un recién graduado del programa de ingeniería mecánica de Ohio State.