Construcción de un Dron con 8 Motores de 6 kW Usando Aluminio, Agua y Oxígeno, Aprovechando Hidrógeno y Supercondensadores para Estabilización

Resumen

Este documento presenta el diseño de un dron eléctrico con 8 motores de 6 kW, alimentado por baterías aluminio-aire y celdas de combustible que reutilizan el hidrógeno generado como subproducto. Un supercondensador absorbe picos de demanda y estabiliza la entrega energética a los motores. El sistema utiliza inyección precisa de agua y oxígeno mediante válvulas electrónicas y mecanismos de seguridad como fusibles e interruptores termomagnéticos. Se incluye un cálculo de autonomía con 10 kg de aluminio, resultando en 2.15 horas de operación.

1. Introducción

Los drones eléctricos necesitan alta potencia y larga autonomía. Las baterías aluminio-aire ofrecen alta densidad energética y generan electricidad a partir de la reacción entre aluminio, agua y oxígeno, liberando hidrógeno como subproducto. Este hidrógeno es capturado y reutilizado en celdas de combustible para generar energía adicional. Además, un supercondensador estabiliza la entrega de potencia, absorbiendo picos de generación y demanda.

2. Objetivos

Alimentar 8 motores eléctricos de 6 kW.
Inyectar agua y oxígeno cada 20 segundos de manera controlada.
Capturar y reutilizar el hidrógeno en tiempo real para generar electricidad adicional.
Integrar un supercondensador para manejar picos de demanda y estabilizar la potencia.
Implementar fusibles e interruptores para proteger el sistema.
Calcular la autonomía del sistema utilizando 10 kg de aluminio.

3. Diseño del Sistema

3.1. Arquitectura General

Batería aluminio-aire: Genera la energía principal mediante la reacción:
```
  4Al + 3O₂ + 6H₂O → 4Al(OH)₃ + Energía eléctrica + H₂
```
Hidrógeno capturado: Se dirige a una celda de combustible de baja presión (1-3 bar).
Celdas de combustible: Convierten el hidrógeno en electricidad adicional (48V DC).
Supercondensador:
- Absorbe picos de energía generada.
- Libera energía instantáneamente durante picos de demanda.
Protección eléctrica:
- Fusibles de 150A protegen cada motor.
- Interruptores termomagnéticos detienen el sistema si se excede la potencia.
Controlador de energía: Distribuye la energía entre baterías, supercondensador y motores eléctricos.

3.2. Inyección de recursos cada 20 segundos

La inyección precisa se controla mediante válvulas electrónicas:

Recurso	Por batería (20s)	Total (8 baterías)
Agua-electrolito	4.1 mL	32.8 mL
Oxígeno	3.7 L	29.6 L
Aluminio consumido	0.74 kg/h	5.92 kg/h

3.3. Supercondensador: Función y ventajas

Función:
- Absorbe picos de generación cuando la batería o celda de combustible producen excedentes.
- Libera energía instantáneamente durante picos de demanda.
Ventajas:
- Alta respuesta: Almacena y entrega energía en milisegundos.
- Estabilización: Compensa variaciones de voltaje y corriente.
- Larga vida útil: No se degrada como las baterías de litio.

3.4. Flujo del Sistema

[ Batería Aluminio-Aire 48V ]
       │  
       ├──> [ Captura de hidrógeno ] → [ Celda de Combustible ]  
       │             │  
       │             └──> [ Supercondensador 48V ]  
       │                     │  
       ├──> [ Controlador de Potencia ] → [ Distribución a Motores ]  
       │  
       └──> [ Seguridad: Fusibles + Interruptores ]

4. Ejemplo de Autonomía con 10 kg de Aluminio

Energía principal:

 Energía principal = Masa de Al (kg) × 8.1 kWh/kg  
 Energía principal = 10 kg × 8.1 kWh/kg = 81 kWh

Hidrógeno producido:

 Hidrógeno producido = Masa de Al (kg) × 0.111 kg H₂/kg Al  
 Hidrógeno producido = 10 kg × 0.111 kg H₂/kg Al = 1.11 kg H₂

Energía del hidrógeno:

 Energía del hidrógeno = Hidrógeno producido (kg) × 33.3 kWh/kg × 0.6  
 Energía del hidrógeno = 1.11 kg × 33.3 kWh/kg × 0.6 = 22.2 kWh

Energía total:

 Energía total = Energía principal + Energía del hidrógeno  
 Energía total = 81 kWh + 22.2 kWh = 103.2 kWh

Autonomía del sistema:

 Autonomía = Energía total (kWh) / Potencia consumida (kW)  
 Autonomía = 103.2 kWh / 48 kW ≈ 2.15 horas

5. Conclusión

El sistema híbrido utiliza baterías aluminio-aire para alimentar 8 motores eléctricos de 6 kW. La inyección precisa de agua y oxígeno asegura la reacción óptima, mientras que el hidrógeno generado se aprovecha en celdas de combustible para energía adicional. Un supercondensador estabiliza la entrega energética y absorbe los picos de demanda. Con 10 kg de aluminio, el sistema alcanza una autonomía de 2.15 horas, logrando un diseño eficiente, seguro y escalable