Os Materiais por Trás dos Drones Modernos: Da Fibra de Carbono às Baterias de Iões de Lítio

Principais materiais usados em drones:

• Compósitos reforçados com fibra de carbono (CRFCs)
• Termoplásticos como poliéster, nylon, poliestireno, etc.
• Alumínio
• Baterias de iões de lítio

Parece que foi ontem que os drones eram novidades, protótipos construídos por empresas e entusiastas empreendedores. Agora parece que os drones tomaram conta do mundo. Estão em todo lado, servindo papéis na indústria, arte, e até como brinquedos de crianças. As pessoas muitas vezes ignoram o facto de que estas pequenas máquinas voadoras só se tornaram comuns recentemente. Os drones ainda estão na sua infância, e à medida que as tecnologias de materiais e microcontroladores melhoram, os drones do futuro evoluirão de formas que podem parecer quase ficção científica.

Ao examinar a forma como os drones são projetados e os materiais de que são feitos, podemos entender como esta tecnologia importante se desenvolveu e ter uma noção de como pode avançar num futuro próximo.

Então, o que são drones? Como são projetados? E o que está a impulsionar a sua ascensão a uma tecnologia generalizada?

Vamos descobrir.

O que são drones?

Para a maioria das pessoas, um "drone" é um tipo específico de veículo aéreo não tripulado (VANT): o multirrotor ou multicóptero. Tal como o nome implica, estas máquinas voam direcionando o impulso para baixo a partir de duas ou mais hélices acionadas por motor.

Os modelos de consumo mais populares são quadricópteros (4 rotores), mas variantes comerciais incluem hexacópteros (6 rotores) e octocópteros (8 rotores) para fornecer maior sustentação. Embora exista uma grande variedade de drones militares e civis, focar-nos-emos nos drones multirrotor comuns e nos materiais de que são feitos.

Para voar, os drones devem ser capazes de gerar impulso ascendente suficiente para superar o seu próprio peso, então a seleção de materiais num drone é dominada pela minimização da massa do drone.

Cada grama de material usado para fazer um drone custa energia para levantar, e cada grama que se pode poupar melhora o desempenho:

• Capacidade de carga aumentada
• Tempo de voo prolongado
• Inércia reduzida e manobrabilidade melhorada

Este processo de seleção de materiais e projeto de componentes para minimizar a massa chama-se "aligeiramento". Isto dá-nos o critério de seleção de propriedade de material mais importante: minimizar a massa selecionando materiais de baixa densidade.

Análise peça por peça

Os drones são dispositivos complexos compostos por diferentes componentes a trabalhar em conjunto. Cada componente cumpre uma função diferente, então diferentes considerações entram em jogo ao selecionar materiais para cada peça. No entanto, para cada peça de um drone, a densidade do material deve ser tida em conta para minimizar o peso e maximizar o desempenho.

A estrutura: mantendo tudo junto

A estrutura dá ao drone a sua forma e mantém todos os subsistemas no lugar. Como serve uma função mecânica, a propriedade de material mais importante para a estrutura é a resistência. Para drones comerciais, termoplásticos como variantes de nylon, poliéster e poliestireno são escolhas populares porque são baratos de fabricar em peças complexas usando processos de injeção.

Os termoplásticos também oferecem boa resistência e baixa densidade, com várias variedades tendo resistências à tração acima de 100 MPa e densidades abaixo de 2 g/cm³. Muitos termoplásticos também estão disponíveis em filamentos que podem ser usados para imprimir peças personalizadas em 3D, tornando os termoplásticos um componente popular de drones experimentais.

Enquanto drones comerciais podem sacrificar algum peso adicional para serem mais acessíveis, drones industriais priorizam o desempenho. Um material que é alto em resistência pode ser usado em quantidades menores, fazendo um drone ainda mais leve e de maior desempenho.

Se usarmos uma pesquisa Matmatch para encontrar os materiais de menor densidade e maior resistência, encontramos a melhor escolha para estruturas de drones de alto desempenho: compósitos reforçados com fibra de carbono. Estes compósitos oferecem alta resistência, baixa densidade e alta rigidez para fazer estruturas de drones leves e rígidas.

Motores e hélices: descolando

Sem uma fonte de impulso, um drone nunca sairia do chão. Os motores que acionam drones são motores elétricos convencionais com enrolamentos de cobre e ímanes permanentes. A carcaça dos motores pode ser escolhida para minimizar peso, e tanto termoplásticos como ligas de alumínio apresentam boas relações resistência-peso.

No entanto, os motores podem gerar calor significativo. Então, materiais com alta condutividade térmica, como alumínio, podem ser usados para a carcaça para ajudar a arrefecer o motor.

As pás do rotor dos drones giram a altas velocidades, então tendem a absorver o maior desgaste quando um drone voa (ou se despenha). Tal como os materiais da estrutura, escolher um material ótimo para pás do rotor é uma questão de maximizar a resistência enquanto se minimiza o peso.

Algumas pás do rotor são feitas de compósitos reforçados com fibra de carbono. No entanto, as pás do rotor são frequentemente danificadas e substituídas, por isso muitas são feitas de termoplásticos para reduzir o custo de as substituir quando se partem.

Como as pás do rotor são geralmente danificadas em impactos de alta velocidade enquanto giram, um engenheiro que procure projetar uma pá do rotor durável poderia filtrar materiais por resistência ao impacto e densidade para selecionar um material adequado.

Baterias: a energia para voar

De todos os componentes num drone, melhorias na tecnologia de baterias podem ser o avanço mais importante que tornou os drones multirrotor modernos possíveis. Da mesma forma que as relações resistência-peso são consideradas ao projetar componentes mecânicos, o desempenho da bateria pode ser medido em termos do peso da bateria.

Medições como energia específica (J/kg) e potência específica (W/kg) descrevem a capacidade da bateria de armazenar e libertar energia em termos da sua massa.

Baterias antigas de chumbo-ácido e Ni-Cd pesavam demasiado para um drone que alimentassem voar por muito tempo, se conseguisse sequer levantar-se do chão. No entanto, modernas baterias de iões de lítio oferecem energia e potência suficientes num pacote leve para tornar os drones multirrotor de hoje possíveis. Futuros avanços em tecnologia de baterias e condensadores permitirão drones ainda mais leves e de maior desempenho.

Sensores: o sistema nervoso do drone

Drones multirrotor estão envolvidos num ato de equilíbrio delicado sempre que voam. Se um motor fornece demasiado impulso, o drone inclina-se ou até vira. Tal como o corpo humano usa uma complexa rede de sentidos e nervos para se equilibrar ao caminhar, drones multirrotor usam um impressionante conjunto de sensores e mecanismos de retroação para se manterem no ar.

As partes mais vitais do "sistema nervoso" de um drone são os seus sensores de inclinação. Combinando uma mistura de sensores giroscópicos e acelerómetros, os sensores de inclinação estão ligados em loops de retroação com os motores do drone.

Um drone em voo faz constantemente minúsculos ajustes ao impulso do motor para permanecer nivelado, permitindo-lhe recuperar de correntes de ar e manobras extremas. Alguns drones avançados podem também inclinar independentemente cada rotor, permitindo ao drone controlar tanto a direção como a força do impulso que obtém de cada rotor.

Os drones podem também empregar uma variedade de outros sensores para monitorizar os seus sistemas internos e o mundo à sua volta. Sensores de corrente e tensão ajudam o drone a rastrear a energia retirada das suas reservas de energia, ajudando o seu piloto a saber quando é hora de aterrar e recarregar.

Sensores GPS e magnéticos ajudam na navegação medindo a localização e orientação do drone. Sensores de fluxo de ar permitem aos drones detetar a sua velocidade aérea ou correntes de vento, e essa informação pode ser retroalimentada nos seus circuitos de equilíbrio para tornar o voo do drone ainda mais estável.

Microcontroladores e câmaras: drones mais inteligentes

Os mesmos avanços na tecnologia de microchips que criaram o smartphone moderno tornam possível que os drones sejam computadores voadores. Muitos dos mesmos chips que podem ser encontrados em smartphones (Intel, Nvidia, Qualcomm, Arm, etc.) também aparecem em drones.

À medida que os drones ficam mais inteligentes, tornam-se capazes de assumir tarefas mais sofisticadas com menos controlo humano. Atualmente, isto significa que os drones podem seguir caminhos predeterminados sem piloto humano ou registar medições de uma gama ainda maior de sensores. Mas investigadores estão a aprender a programar drones para realizar tarefas cada vez mais complexas sem ajuda humana.

Para a maioria das pessoas, todo o propósito dos drones é transportar uma câmara a alturas que um humano não poderia alcançar de outra forma. Mesmo drones básicos de nível de consumo transportam uma câmara que transmite vídeo de volta para um smartphone ou grava imagens na memória.

Estúdios de cinema usam drones de alta gama para filmar os seus filmes de grande orçamento. No entanto, avanços no campo da "visão computacional" estão a transformar câmaras em mais do que apenas uma carga útil ou ajuda para pilotos humanos. Os drones do futuro usarão câmaras para ver o mundo à sua volta e usar essa informação para se pilotarem a si mesmos.

Os drones estão a tornar-se cada vez mais capazes de voar sem ajuda nem de um piloto humano nem sequer de GPS para navegar, e isto está a dar origem a uma poderosa nova capacidade: drones a trabalhar em conjunto. Enxames de drones eram anteriormente compostos por equipas de drones usando GPS e comunicando com um controlador central para determinar onde cada indivíduo se encaixa no grupo.

No entanto, investigação de ponta produziu drones que usam os seus próprios sensores a bordo, e até as suas câmaras, para reconhecer outros drones e voar em formação. Em breve, pode tornar-se comum ver equipas de drones autónomos a atuar como nadadores-salvadores, a cuidar de culturas, ou a voar em formações de busca para ajudar esforços de socorro em desastres.

Tecnologia com impacto global

Os drones parecem estar em todo lado agora. Eles estão a film filmes, a estrelar em filmes, a ajudar a vender imóveis, a transmitir desportos, a criar novos desportos, a trabalhar em quintas e fábricas, a caçar outros drones, e em breve podem estar a entregar encomendas. À medida que materiais, IA e microcontroladores melhoram, os drones continuarão a revolucionar uma vasta gama de indústrias.

O futuro dos drones

Os drones estão a crescer em popularidade dia a dia e a revolucionar a forma como o mundo trabalha e se diverte. Os materiais usados em drones são selecionados para melhorar o desempenho com estruturas de alta resistência e altas capacidades de bateria enquanto se minimiza o peso.

Minimizar o peso dos drones maximiza o seu desempenho, seja uma questão de fazer um drone de cinema capaz de realizar filmagens mais longas ou de fazer um drone de corrida ainda mais manobrável. Os drones estão constantemente a ficar mais inteligentes, também, e pode não demorar muito até que drones autónomos se tornem uma parte inerente da vida quotidiana.