#6 noviembre diciembre · 2017-11-14 · diario de un industrial # 6 - 3 el avance en el desarrollo...

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#6 NOVIEMBRE DICIEMBRE 2017 La revista que no sale ni una vez al mes porque no tenemos tiempo Tejas solares, ¿una gran revolución? Página 4 Super hilos con grafeno y seda Página 11 La revolución 3D Página 5 El futuro tiene forma de dron Página 13 ¿Pasa el futuro del medio ambiente por el litio? Página 7

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#6 NOVIEMBREDICIEMBRE

2017

La revista que no sale ni una vez al mes porque no tenemos tiempo

Tejas solares, ¿una gran revolución?

Página 4

Super hilos con grafeno y seda

Página 11

La revolución 3DPágina 5

El futuro tiene forma de dron

Página 13

¿Pasa el futuro del medio ambiente

por el litio?Página 7

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2 - Diario de un Industrial # 6

Índice

Tejas solares, ¿una gran revolución?

La revolución 3D

¿Pasa el futuro del medio ambiente por el litio?

Super hilos con grafeno y seda

El futuro tiene forma de dron

Página 4

Página 5

Página 7

Página 11

Página 13

La revista a color y más información sobre las noticias en nuestra web.

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[email protected] creii.es | Revista | Noviembre 2017 - Diciembre 2017

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Diario de un Industrial # 6 - 3

El avance en el desarrollo de las ener-gías alternativas prosigue su camino ofreciendo nuevas innovaciones. Una dinámica de crecimiento en desborde que se amplía no solo en profundizar en la técnica o mejorar su eficiencia, sino también en cuestión de diseño, mejora de los materiales o nuevas aplicaciones. Últimamente se ha venido hablando, gracias a la maquinaria mediática que se pone en marcha cada vez que Elon Musk apadrina un proyecto, de las tejas solares.

Si bien la lógica detrás de las tejas so-lares no es nueva -es un concepto con años detrás- el avance en la tecnología energética y fotovoltaica así como los di-seños estéticos para las casas apuntan a un gran salto de la demanda.

Principio de funcionamiento

El funcionamiento de estas tejas sigue el camino normal: las células fotovoltaicas convierten la luz solar en electricidad de corriente continua. Un inversor con-vierte la corriente alterna en corriente alterna y, finalmente, un panel eléctrico envía energía a tus focos y aparatos.Es decir, el sistema utiliza la tecnología de una placa fotovoltaica. Esto es, de forma resumida, que un fotón ‘golpea’ un semiconductor, desplazando un elec-trón y creando un hueco en el átomo. Normalmente el electrón encontraría un hueco y se disiparía esa energía, pero la célula fotovoltaica obliga a avanzar hacia el lado opuesto del material en lugar de simplemente recombinarse en él: así, se producirá una diferencia de potencial y por lo tanto tensión entre las dos partes

Tejas solares, ¿una gran revolución?Pablo Rodríguez - Universidad de Deusto

Los diferentes tipos de teja ofrecidos por Tesla

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del material, como ocurre en una pila.

Por lo tanto, no se innova en esta técni-ca, pero sí en combinarlo en dispositivos integrados en la propia superficie de la teja, pudiendo encontrar en el mercado gran variedad de tipos de tejas fotovol-taicas, en cuanto a forma, tamaño, ma-terial, etc.

Hay que añadir además el papel funda-mental que juega aquí, como casi siem-pre que hablamos de energía, las bate-rías. Uno de los principales problemas cuando hablamos de suministro eléctri-co es la posibilidad de almacenamiento. En las energías renovables, como la so-lar y en el caso de otras, es clave poder acumular la energía variable y con picos y valles que se genera para poder usarla cuando se necesita. Algo a lo que juega también el magnate Elon Musk y su ba-tería recargable Powerwall.

Sin embargo, como se ha dicho, no es una innovación demasiado reciente. A lo largo de los años se han patentado diferentes diseños y formas de llevar a cabo el proceso de generación eléctri-ca a través de los tejados. Por ejemplo,

el caso de la compañía sueca SolTech Energy, que fue premiada en el 2010 por su sistema de calefacción con tejas de vi-drio transparente, que instalan sobre un lienzo negro con una cámara de aire in-termedia. El color favorece la absorción de calor, calienta el aire de la cámara, y éste se utiliza en la producción de agua caliente o como sistema de calefacción por aire mediante su conexión con las estancias interiores.

Ahorro energético

La producción de energía, al tratarse de energía solar, varía dependiendo de la región. Por poner un ejemplo, tenemos los datos de California, donde se puede generar un 1,5 kWh por vatio de poten-cia instalada. Suponiendo una instala-ción que cubra unos 37 m2, tendríamos instalados 5 kW. Es decir, 7,5 kWh. Para hacerse una idea, el consumo energé-tico medio anual de un hogar español está cerca de los 10 kWh.Solo en España ya nos encontramos con una cierta variación de la irradiación que se da.

Tejas de vidrio transparente de la empresa SolTech Energy

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Entró en nuestras vidas siendo un sim-ple juguete caro, un invento que nos hacía soñar con crear lo inimaginable pero limitado a unos cuantos privilegia-dos con la afición y el dinero suficientes. Pero, como vamos a explicar en los si-guientes párrafos, hemos recorrido un largo camino desde entonces.

Lo cierto es que la impresión 3D nació mucho antes de que oyéramos hablar de ella, allá por el 1983. Chuck Hull tra-bajaba en una empresa que empleaba la luz ultravioleta para hacer revesti-mientos de mesas cuando se le ocurrió que podía fabricar los modelos hechos a ordenador rápidamente. Semanas más tarde, consiguió lo que se proponía: un fotoplástico que se solidificaba al con-tacto con la luz ultravioleta. Pero este in-vento genial era caro, por lo que estaba limitado a las grandes empresas.

Fue en el año 2007 cuando un grupo de investigadores ingleses decidió reinven-tar la impresora 3D. Su objetivo principal era abaratar costes para hacerla accesi-ble al público general, y lo consiguieron. Siguiendo con ese mismo principio, pu-blicaron en internet una guía explican-do cómo fabricar tu propia impresora. Y fue entonces cuando empezamos a conocerla, y lo que es más importante, cuando llegó por fin al alcance de todo tipo de empresas.

Su omnipresencia ha hecho que se de-sarrolle rápidamente en diversos cam-pos, como la industria aeroespacial, la medicina o la arquitectura, entre otros.

Así la impresión 3D ha revolucionado la industria en general porque ha deja-do atrás los métodos tradicionales de producción. No solo permite introducir cambios rápidamente en el diseño de un objeto, pues se fabrica directamente sin depender de moldes o utensilios, sino que abre las puertas a la fabricación de objetos que antes nos era imposible (o demasiado costoso) producir debido a su geometría entre otros.

En el campo de la industria aeroespa-cial, la impresión 3D tiene varias vertien-tes. Por un lado, puede abaratar costes de manera drástica, pues las piezas po-drían fabricarse directamente en el es-pacio: la Estación Espacial Internacional prevé instalar una impresora 3D para así

La revolución 3DAna García, Universidad Politécnica de Madrid

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poder fabricar recambios, herramientas y estructuras sin necesidad de enviarlos desde la Tierra. Y, aún si las piezas se fabrican en la Tierra, este método per-mitiría una optimización de la cantidad de material y del peso, lo que nos lleva a una disminución del coste que supone enviar piezas al espacio. Por otro lado, no es fácil cubrir cada una de las nece-sidades de las misiones espaciales. Una impresora 3D daría a los astronautas la posibilidad de fabricar los componentes cómo y cuando los necesiten.

En el dominio de la medicina, las apli-caciones van desde prótesis externas a medida hasta impresión de células vivas para trasplantar al paciente. Huesos, va-sos sanguíneos, piel o células madre ya son fabricados hoy en día, pero la me-dicina va más allá y ya no se contenta con sustituir el tejido perdido. Ahora también se mejora, como es el caso de la oreja biónica, un conjunto de células y circuitos electrónicos que permiten al paciente escuchar frecuencias fuera del espectro audible.

Con respecto a la arquitectura, ya están en pie los primeros edificios construi-dos enteramente por impresión 3D. Sus ventajas: la rapidez y el uso óptimo de los materiales. La compañía China Win-Sun ha conseguido construir 10 aparta-mentos en menos de 24 horas a partir de materiales reciclados, ahorrando en-tre un 30 y un 60% de los desechos de la construcción.

Así pues, vemos que este tipo de fabrica-ción nos abre muchas puertas y algunas ventanas, pero tenemos la esperanza de que aún queda mucho por ver. Y como todo, tiene partes positivas y partes ne-gativas. Dejando de lado los sonados ca-sos de personas que fabrican su propia pistola sin licencia ni control, esta ola de Do It Yourself puede causar un impacto importante sobre la economía, espe-cialmente la de países cuya industria se basa en la producción de juguetes o tex-tiles. También supone una escalada de fuerza en el campo de combate, ya que ofrece la posibilidad de fabricar los re-cambios directamente, uniformes, piel para los heridos, drones, etc. a un precio más bajo.

La pregunta que se plantea es si sabre-mos aprovechar de manera razonable las oportunidades que se nos ofrecen.

“En China, WinSun ha conseguido construir 10 apartamentos en menos de 24 horas a

partir de materiales reciclados.”

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El litio (Li) es el metal y elemento sólido más ligero. Este elemento, apenas cono-cido hace unos años, se ha convertido en un material del que cada vez se ha-bla más por su papel fundamental en el creciente mercado de las baterías eléc-tricas.

¿En qué se usa y en qué se usará?

Aunque este material tenga diversos usos, como se puede apreciar en el gráfi co, el que más consumo supone es el que lo ha hecho tan conocido en los últimos años; el de las baterías. Y es que esta fama no solo se debe a que las baterías sean un elemento muy cer-cano, sino sobre todo al hecho de que éstas juegan un papel cada vez más im-portante en nuestro día a día, en parte por el aumento del uso de dispositivos electrónicos (con la previsible aparición

de nuevas tendencias, como la que em-pieza con los Smart-watchs, o las gafas electrónicas), pero sobre todo por el aumento del consumo del sector ener-gético y del del transporte, siempre tan intrínsecamente unidos.

El aumento en el primer sector, el ener-gético, vendrá propiciado por la cada vez mayor penetración en el sector de las energías libres de emisiones que, al margen de la hidráulica y la nuclear, se caracterizan por tener poca seguridad en el suministro. Actualmente, estos valles de producción (como el reciente-

¿Pasa el futuro del medio ambiente por el litio?Asier Jauregui, Universidad del País Vasco / Euskal Herriko Unibertsitatea

Reparto del consumo de litio en 2015

“Teléfonos móviles, ordenadores, smart-watchs... Su presencia en las baterías de coches eléctricos o de almacenamiento

de energía hacen de él un agente imprescin-dible contra el cambio climático..”

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mente acontecido por falta de viento) se suplen con el encendido de centrales térmicas de gas o carbón, con el consi-guiente efecto en el medio ambiente y en la factura de la luz. Pero a medida que estos valles van en aumento, decrece el precio de las baterías, sobre todo las de ión-litio, lo que lleva a plantear la opción de un sistema eléctrico integrado por baterías capaces de amortiguar los va-lles y absorber los picos de producción. Este sistema, aunque aún minoritario -sobre todo en lo que a grandes centros de almacenamiento se refi ere-, ya cuen-ta con un simulacro en la integración a pequeña escala: las Tesla Powerwall [2], que incluso prometen ahorrar dinero al consumidor. Eso sí, siempre que no vivas en España, ya que el llamado “im-puesto al sol” impide la rentabilización de aparatos como este, a pesar de su innegable contribución a mitigar el cam-bio climático y a racionalizar nuestro sis-tema eléctrico.

En cuanto al segundo sector, es el más evidente para todos: los coches eléctri-cos requerirán, inevitablemente, de ba-

terías efi cientes y potentes, papel que por el momento suplen las baterías de ión-litio, y parece que no hay otra tec-nología dispuesta a batirle el oro, por ahora.

¿Qué futuro tiene la tecnología?

Por lo dicho hasta ahora, parece claro que el mercado de baterías tiene un gran futuro por delante, pero nadie nos garantiza que las baterías de litio-ión vayan a ser las protagonistas de este cambio, al menos a largo plazo. En efec-to, como ha sucedido con las viejas ba-terías de níquel cadmio (NiCd) y níquel e hidruro metálico (NiMH), hegemónicas hace unos lustros pero cada vez más re-legadas, nada nos garantiza que no se vaya a repetir esta situación.

Esta tecnología cuenta con varias ven-tajas, que la han llevado a su actual po-sición de dominio, siendo la principal la alta densidad energética en compara-ción con sus competidoras directas, lo que le permite ganar en autonomía por unidad de volumen y de masa de bate-

Evolución del precio de las baterías y previsiones

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ría. Por otra parte, puede suministrar un voltaje elevado, que se mantiene cons-tante a lo largo de la descarga. Además, no cuenta con efecto memoria en las cargas, por lo que se pueden realizar de forma incompleta sin afectar su longe-vidad (esto es muy útil siempre que se plantean coches capaces de cargarse en “gasolineras”, al no requerir que las pa-radas se adapten al tiempo total de car-ga), y pueden dejarse conectadas al car-gador una vez completada la carga dada su reducida autodescarga en reposo.

Pero aún siendo las mejores del merca-do, estas baterías siguen teniendo im-portantes inconvenientes, algunos de ellos con posibilidad de mejora y otros no. Éstas han sido por ejemplo históri-camente caras, y aunque en los últimos años su precio ha descendido drástica-mente, las previsiones estiman que está cerca de estabilizarse. Aún así, queda en esa estabilización que las baterías de más calidad bajen a precios mucho más asequibles, con una estabilización en

torno a los 130 €/kWh (aproximadamen-te la mitad de lo que le cuestan a Tesla en la actualidad, que se dice pronto).

Por otro lado, según Elon Musk, el pico de energía almacenada en las baterías de los coches ya se ha alcanzado -con unos 100 kWh-, y aunque nos deja con una autonomía más que respetable (en-torno a 500 km, requiriendo solo 30 mi-nutos para una carga de 270 km), esto implica unos precios nada competitivos (superiores a 10 000 € por coche).

Por otro lado, si bien el ión-litio está a la cabeza de las baterías en lo que a den-sidad energética se refi ere, sigue estan-do en desventaja de cara a la gasolina. Efectivamente, el surgimiento de los coches eléctricos, vista esta desventa-ja, no se explica sino desde la creciente concienciación social de la problemáti-ca medioambiental (y las consiguientes restricciones e impuestos que llevan de la mano). Y si bien para el nivel de aumento actual esto parece sufi ciente, no se podrá lograr una expansión total y efectiva a una velocidad razonable si no se consigue que las baterías se equi-paren a las fuentes fósiles; es lo que se llama battery bottleneck.

Densidad energética de las distintas tecnologías de baterías

“El ión-litio sigue sin llegar a compararse con costes y características de la gasolina�y no

podrá hacerlo nunca.”

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Para poner números a esto (que a fi n de cuentas para eso sirve que esto lo escri-bamos futuros ingenieros para futuros ingenieros), la densidad energética de la gasolina es de 13 kWh/kg, aunque tras tener en cuenta rendimientos del ciclo y de las componentes del motor, se tra-duce fi nalmente a unos 1,7 kWh/kg de energía suministrada a las ruedas. Por su parte, las baterías comerciales actua-les de ión-litio alcanzan como mucho los 200 Wh/kg (siendo el pico experimental “solo” de unos 500 Wh/kg). Afortunada-mente, de éstos prácticamente todos se transmiten a las ruedas debido a la alta efi ciencia de los motores eléctricos la mayor simplicidad de los sistemas de tracción. Y menos mal, porque aún con todo, seguimos teniendo valores en tor-no a 10 veces inferiores a los de los co-ches tradicionales, es decir, si queremos una autonomía equivalente a 60 litros de gasolina (unos 40 kg) se necesita una batería de 400 kg, que es mucho decir, porque al fi nal el peso extra acaba re-duciendo notablemente la autonomía, y explica el enorme coste de estas.

Vistos estos inconvenientes, y aun-que aún son muchos los que apuestan fuerte por el ión litio, no son pocos los que apuestan por otras tecnologías (a pesar de estar aún, como quien dice, en pañales). Es más, muchos actores importantes del sector, entre los que destaca IBM, parecen pensar que el fu-turo no pasa por ellas. ¿Entonces, el li-tio dejará de tener su rol de liderazgo? Cada vez queda más claro que el ión-li-tio no es más que la etapa intermedia, y la mayoría de investigaciones optan por modelos de metal-aire, destacando

el zinc-aire, sodio-aire y litio-aire. Pero entre estas, las de litio-aire parecen un serio candidato a ganar la mano a las otras dos, al menos en lo que densidad energética se refi ere como vemos en el siguiente gráfi co, en el que pulveriza al resto (para más información sobre los avances en el campo de las baterías, lee nuestro artículo de la revista nº 4).

Por lo tanto, como conclusión, el litio no solo es una fuente necesaria en la actualidad para llevar a cabo nuestra transición energética y de transportes, sino que parece que tendrá un rol im-portante en un futuro, al menos si nos atenemos exclusivamente a criterios económicos y tecnológicos. ¿Pero este futuro está garantizado desde el punto de vista de las reservas mundiales? En una futura entrega analizaremos este y otros aspectos adicionales de este ma-terial llamado a condicionar nuestro en-torno.

“Las baterías de litio son cada vez más baratas, y tienen mayor densidad energética

que otras baterías.”

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El grafeno es un material bidimensio-nal formado por una capa de átomos de carbono organizados en hexágonos, este material tiene unas excelentes pro-piedades ya que es flexible resistente y tiene mejores propiedades eléctricas y térmicas que el cobre.

Además de todo el uso que se le pue-de dar a este material en la ingeniería los científicos pueden haber encontrado otro uso incorporando este material a la seda de una forma muy peculiar. Los gusanos de seda se alimentan de

hojas de morera y van engordando hasta que son capaces de producir con sus glándulas salivales un hilo hecho con proteína, lo que se denomina seda, para luego construirse un capullo donde hacen la metamorfosis y salen de este siendo polillas.

Unos investigadores de la universidad de Tsinghua en Pekín rociaron las hojas de morera con una solución acuosa de 0,2 % en peso de grafeno y observaron que la seda que producían esas orugas tenía unas propiedades asombrosas.

Super hilos con grafeno y sedaSantiago Salomón Arrondo Durán, Universidad Carlos III de Madrid

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Este nuevo hilo podía soportar 50% más de tensión antes de romperse que la seda convencional, además podía con-ducir la electricidad y también compro-baron que la “seda reforzada con carbo-no” presentaba una estructura cristalina más ordenada. Asimismo se repitió el experimento con nanotubos de carbo-no (lo que viene a ser grafeno enrollado formando un cilindro) y se observó que se obtenían unos resultado similares.

Este proceso parece más sencillo y res-petuoso con el medio ambiente que el de tratar la seda producida por los gusa-nos que han seguido una dieta conven-cional. Además con estas propiedades la seda podría tener muchos usos en inge-niería desde prendas inteligentes o dis-positivos electrónicos que puedas llevar puestos, hasta darle uso en el ámbito de la medicina como parte de la elabora-ción de implantes biodegradables.

Este es uno de los muchos usos que se le puede dar al grafeno que desde luego en el futuro desempeñará un papel muy importante en el sector de la ingeniería.

“Este nuevo hilo podía soportar 50% más de tensión que la seda convencional, además

podía conducir la electricidad.”

“El grafeno está formado por una capa de átomos de carbono organizados en

hexágonos.”

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Los drones han llegado para quedarse, desde los modelos más sencillos hasta los complejos, capaces de ser controla-dos a decenas de kilómetros. Y tan varia-das como sus formas son sus aplicacio-nes: reparto a domicilio, internet desde el aire (enlace Facebook Aquila), mante-nimiento y vigilancia, ataques selectivos, grabación,… A continuación hacemos un pequeño repaso de tres de ellas: Reparto a domicilio

El desarrollo de drones para el reparto a domicilio es quizás la aplicación de la que más se escucha. Su principal impul-

sor ha sido Amazon, aunque otras em-presas como UPS también se encuen-tran desarrollando tecnología similar. En el caso de Amazon, durante los últi-mos años, ha estado trabajando en tec-nología de drones a través de su iniciati-va Prime Air con el objetivo de entregar productos a hogares de clientes sin de-pender de las compañías de logística. En la actualidad, el proceso de entrega de drones de Amazon requiere que la compañía construya un almacén para servir a un área en particular. Dentro de ese almacén hay una selección de pro-

El futuro tiene forma de dronÁlvaro Blázquez, Universidad Politécnica de Madrid

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ductos ligeros que la empresa vende a través de su página web. Una vez que un cliente hace un pedido, esos artículos se empaquetan en una caja que el dron puede llevar, entregándolo a la casa de un cliente en 30 minutos.

Sin embargo, nos encontramos aquí con el principal inconveniente de los drones, que es su limitada autonomía. Esto obli-garía a Amazon a construir un gran nú-mero de almacenes o a limitar su rango de distribución.

Ante esta problemática Amazon, en lu-gar de buscar la solución en la tierra, pa-rece estar mirando hacia el cielo, donde se plantearía situar almacenes flotantes, los “airborne fulfillment center” (AFC). Al igual que sus alternativas terrestres, las AFC sería el hogar de un inventario de

artículos que Amazon vende a través de su mercado en línea. Los nuevos artícu-los se añadirían a los AFC con la ayuda de un transbordador que transportaría productos hacia (y desde) el dispositivo. Una vez recibido un pedido, se equipa-ría un dron con los productos deseados, y éste descendería del dirigible y entre-garía los artículos al cliente. Estos AFC se situarían a alturas de unos 45.000 pies (aproximadamente 14 kiló-metros), lo que está fuera del rango de alcance de los drones que Amazon está probando. Por tanto, al no poder plan-tearse su vuelta autónoma, los drones volverían a una instalación en tierra, donde serían colocados en un transbor-dador y devueltos a la AFC.

Reparaciones y vigilancia: Red eléctrica

Otra aplicación de esta tecnología se en-

“Los drones han llegado para quedarse. Reparto a domicilio, vigilancia, filmación...”

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cuentra en tareas de reparación, man-tenimiento y vigilancia. Concretamente, en una nueva forma de revisar el estado de la red eléctrica de alta tensión como complemento a las inspecciones con he-licópteros.

Con el uso de drones, se aumenta la se-guridad de los técnicos que tenían que subir a las torres a revisar las líneas de alta tensión porque ahora evitarán las alturas y el riesgo eléctrico que compor-ta este trabajo. También se produce una mejora en la calidad gracias a las imáge-nes de alta definición que permiten que varias personas puedan evaluar a la vez posibles errores.

Los drones están equipados con cáma-ras de alta resolución que permiten ver puntos de difícil acceso de las líneas eléctricas sin tener que interrumpir el

servicio a los clientes, al contrario de lo que pasa cuando los técnicos hacen las revisiones manualmente. Estos drones pesan entre dos y cuatro kilos y miden 75 centímetros de largo con una esta-bilidad en pleno vuelo gracias al GPS, lo que permite tomar imágenes de alta calidad a la vez que pueden ser telediri-gidos a tres kilómetros de distancia.

Programas de ataques con drones

Sin embargo, es quizás la aplicación mi-litar la que más polémica ha levantado y sobre la que más se ha escrito. Desde 2004, el gobierno de los Estados Unidos ha atacado a miles de blancos en el noroeste de Pakistán y la fronte-ra afgana utilizando drones controlados por la División de Actividades Especiales de la CIA.

Los daños colaterales de estos ataques son elevados ya que la gran mayoría de las personas afectadas no correspon-den con los objetivos deseados, aproxi-madamente el 13% de muertes siendo los objetivos previstos, el 81% siendo otros militantes y el 6% civiles.

“Pero es quizás la aplicación militar la que más polémica ha levantado y sobre la que

más se ha escrito.”

“Los drones permiten ver puntos de difícil acceso de las líneas eléctricas sin

interrumpir el servicio a los clientes.”

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