El desarrollo de tecnologías electromagnéticas ha cautivado a entusiastas y profesionales por igual, especialmente en ámbitos como la propulsión y la aceleración magnética. En este contexto, un coilgun —o cañón electromagnético— se presenta como un dispositivo fascinante que utiliza campos magnéticos para acelerar un proyectil ferromagnético a altas velocidades, sin necesidad de cargas explosivas tradicionales. La historia de un joven que, con apenas 16 años, construyó un coilgun de múltiples etapas, refleja no solo su pasión por la ingeniería electrónica sino también el potencial innovador que puede surgir desde temprana edad cuando se combinan curiosidad y conocimiento técnico. El coilgun se caracteriza por su estructura modular, donde cada etapa consta fundamentalmente de tres componentes: un sensor que detecta el paso del proyectil, un interruptor que controla el flujo eléctrico y un bobinado o bobina que genera un campo magnético intenso. La sinergia entre estos elementos permite acelerar el proyectil a medida que atraviesa cada etapa.
Al detectar la posición exacta del proyectil, el sensor activa el interruptor, energizando la bobina para atraer el proyectil hacia el centro de la misma. Sin embargo, es crucial desconectar la bobina justo antes de que el proyectil llegue al punto medio de la bobina para impedir que el campo magnético decelere el proyectil o lo haga oscilar, afectando así su velocidad final. En este proyecto personal, el joven inventor decidió diseñar un coilgun con diez etapas, logrando alcanzar velocidades máximas en torno a los 12 a 14 metros por segundo. Este resultado, notable considerando la experiencia y recursos disponibles a su edad, demuestra además los límites y desafíos inherentes al diseño. Uno de los principales cuellos de botella tecnológicos fue el transistor 2N2222A empleado en el circuito de conmutación.
Este transistor tiene una tensión máxima colector-emisor de 40 voltios, lo que restringe tanto la tensión aplicada al sistema como la corriente máxima que puede circular a través de las bobinas. Esta limitación impidió el uso de bancos de capacitores, que en otros diseños suelen emplearse para proveer pulsos de alta corriente y así mejorar la aceleración del proyectil. El diseño eléctrico y mecánico también mostró una atención considerable a la selección de materiales para optimizar el rendimiento. Las bobinas se construyeron con alambre de cobre esmaltado de 1.25 milímetros de grosor, enrolladas en cinco capas para lograr una inductancia aproximada de 0.
750 miliHenrios y una resistencia de 0.45 ohmios. Para evitar pérdidas por corrientes de Foucault, se eligió un tubo de fibra de carbono como “cañón”, ya que es un material no conductor y no ferromagnético, lo que evita que se generen corrientes parásitas que reducirían la eficiencia del sistema. La estructura interna utilizó un yugo formado por alambre de hierro de 1.5 milímetros en dos capas para concentrar el campo magnético en la trayectoria del proyectil y maximizar la fuerza de empuje electromagnético.
La fuente de alimentación fue un elemento importante en el proyecto: una batería de 20 voltios capaz de suministrar hasta 40 amperios garantizó la energía necesaria para alimentar las bobinas a lo largo de las etapas. Sin embargo, pese a esta capacidad, la limitación del transistor implicó que la corriente aplicada a cada bobina debía ser cuidadosamente regulada para evitar daños en los componentes. Esto tuvo consecuencias directas en el diseño del sistema de control, que debió optimizar el tiempo de encendido de cada bobina para maximizar la aceleración sin sobrecalentar los transistores o desperdiciar energía. El diseño del circuito fue lo suficientemente sofisticado para incluir sensores que detectaban la posición del proyectil dentro de cada etapa, y conmutadores electrónicos que activaban y desactivaban la corriente en las bobinas de forma sincronizada. La importancia de esta sincronización no puede subestimarse: una activación temprana o tardía de la bobina puede reducir significativamente la velocidad del proyectil o incluso invertir su movimiento.
La precisión en esta tarea se logró gracias a la integración de software desarrollado en Python para simular el comportamiento del sistema y ajustar los parámetros óptimos para el control. El proyecto no solo demostró la viabilidad técnica de construir un coilgun a nivel amateur y juvenil, sino que también dejó lecciones importantes respecto a la escalabilidad y eficiencia. Por ejemplo, se constató que la ganancia en velocidad por añadir etapas disminuye progresivamente. A partir de 15 a 20 etapas, la mejora marginal es tan pequeña que no justifica el incremento significativo del costo, la complejidad y el peso del dispositivo. Este fenómeno está relacionado con la disipación de energía, las pérdidas en los materiales y las limitaciones electrónicas que afectan el rendimiento general del mecanismo.
Además, los resultados visuales del proyecto quedaron plasmados en fotografías capturadas con un equipo de alcance limitado, ya que el móvil del inventor sufrió un desperfecto. Sin embargo, imágenes disponibles mostraron físicamente el dispositivo y su compleja arquitectura, con detalles que permitían apreciar el minucioso trabajo en el ensamblaje y la integración de circuitos. También se realizaron análisis detallados mediante herramientas de simulación como LTspice y FEMM, los cuales proporcionaron modelos electromagnéticos que respaldaron las decisiones de diseño y ayudaron a prever el comportamiento real del circuito y el campo magnético. Como posibles mejoras y pasos futuros, el inventor planteó ideas prometedoras para superar los límites técnicos presentes. Una propuesta interesante fue la implementación de una fuente de alimentación independiente para la circuitería de los drivers NMOS.
Esto permitiría manejar tensiones mayores en las bobinas sin riesgo para los componentes electrónicos. Otra línea de mejoramiento sugerida fue la adopción de algoritmos de búsqueda aleatoria o evolutiva para optimizar la geometría de las bobinas, aumentando la eficiencia de la generación de campos magnéticos y, por ende, la aceleración de los proyectiles. También se considera el uso de bancos de condensadores para almacenar y suministrar impulsos de corriente de alta intensidad, lo que podría elevar de manera significativa la velocidad máxima alcanzada, aunque a costa de una eficiencia energética menor y una mayor complejidad en el sistema de control. Estas perspectivas indican una continuidad en el desarrollo tecnológico que nace desde un proyecto de juventud, reforzando la idea de que la pasión y la dedicación pueden abrir caminos hacia innovaciones relevantes en electromagnetismo y electrónica aplicada. En conclusión, la construcción de un coilgun multidimensional por un joven de 16 años no solo resalta la capacidad de autoaprendizaje y experimentación técnica, sino que también pone en evidencia el potencial para la investigación y la mejora constante en tecnologías emergentes.
Este proyecto sirve de inspiración para estudiantes, aficionados a la electrónica y profesionales que deseen aventurarse en el diseño de dispositivos electromagnéticos, mostrando que con una base sólida en fundamentos científicos, un buen planteamiento de diseño y muchas horas de trabajo, es posible alcanzar logros impresionantes incluso en etapas tempranas de la vida.
