De la invenția lor, cu mai bine de 100 de ani în urmă, avioanele au fost deplasate prin aer de suprafețele de rotire ale elicilor sau turbinelor. Dar urmărind filme de ficțiune științifică precum seriile „Star Wars”, „Star Trek” și „Back to the Future”, mi-am imaginat că sistemele de propulsie ale viitorului vor fi tăcute și nemișcate - poate cu un fel de strălucire albastră și „whoosh” Zgomot, dar fără părți în mișcare și niciun flux de poluare care se revarsă în spate.
Aceasta nu există încă, dar există cel puțin un principiu fizic care ar putea fi promițător. Acum aproximativ nouă ani, am început să cercetez folosirea vânturilor ionice - fluxuri de particule încărcate prin aer - ca mijloc de a alimenta zborul. Bazându-se pe zeci de ani de cercetare și experimentare de către academicieni și pasionați, profesioniști și studenți de științe din liceu, grupul meu de cercetare a zburat recent un avion aproape tăcut, fără piese mobile.
Avionul cântărea aproximativ cinci kilograme (2, 45 kilograme) și avea o anvergură de aripă de 15 metri și a călătorit aproximativ 60 de metri (60 metri), deci este departe de a transporta în mod eficient marfă sau oameni pe distanțe lungi. Dar am demonstrat că este posibil să zburați un vehicul mai greu decât aerul folosind vânturi ionice. Are chiar o strălucire pe care o poți vedea pe întuneric.
Revizuirea cercetărilor aruncate
Procesul pe care îl folosește planul nostru, numit formal propulsie electroaerodinamică, a fost investigat încă din anii 1920 de către un om de știință excentric care a crezut că a descoperit anti-gravitație - ceea ce nu era, desigur, cazul. În anii '60, inginerii aerospatiali au explorat folosirea acesteia pentru zborul cu putere, dar au ajuns la concluzia că acest lucru nu va fi posibil prin înțelegerea vânturilor ionice și a tehnologiei disponibile la acea vreme.
Mai recent, însă, un număr mare de pasionați - și studenți de liceu care realizează proiecte de târg științific - au construit mici dispozitive de propulsie electroerodinamică care au sugerat că ar putea funcționa până la urmă. Munca lor a fost esențială pentru primele zile ale activității grupului meu. Am căutat să îmbunătățim activitatea lor, în special prin efectuarea unei serii mari de experimente pentru a învăța cum să optimizăm designul propulsoarelor electroaerodinamice.
Deplasarea aerului, nu a părților avionului
Fizica care stă la baza propulsiei electroaerodinamice este relativ simplă de explicat și implementat, deși o parte din fizica de bază este complexă.
Folosim un filament subțire sau un fir care este încărcat la +20.000 volți folosind un convertor de putere ușor, care la rândul său își primește puterea de la o baterie de litiu-polimer. Filamentele subțiri se numesc emițătoare și sunt mai aproape de partea din față a avionului. În jurul acestor emițători, câmpul electric este atât de puternic încât aerul devine ionizat - moleculele neutre de azot pierd un electron și devin ioni de azot încărcați pozitiv.
Mai departe pe avion, așezăm un avion - ca o aripă mică - a cărui margine conducătoare este conductivă electric și încărcată la -20.000 volți de către același convertor de putere. Aceasta se numește colecționar. Colecționarul atrage ionii pozitivi către acesta. Pe măsură ce ionii curg de la emițător la colector, acestea se ciocnesc cu molecule de aer neîncărcate, provocând ceea ce se numește un vânt ionic care curge între emițători și colectori, propulsând planul înainte.
Acest vânt ionic înlocuiește fluxul de aer pe care l-ar crea un motor cu jet sau elice.
Începând de mic
Am condus cercetări care au explorat modul în care acest tip de propulsie funcționează de fapt, dezvoltând cunoștințe detaliate despre cât de eficient și puternic poate fi.
Echipa mea și cu mine am lucrat cu ingineri electrici pentru a dezvolta electronica necesară pentru a converti puterea bateriilor la zeci de mii de volți necesari pentru a crea un vânt ionic. Echipa a fost capabilă să producă un convertor de putere mult mai ușor decât orice disponibil anterior. Aparatul era suficient de mic pentru a fi practic în proiectarea aeronavei, pe care în final am fost capabili să le construim și să zburăm.
Primul nostru zbor este, desigur, un drum foarte lung de la oamenii care zboară. Deja lucrăm la eficientizarea acestui tip de propulsie și mai capabilă să transporte sarcini mai mari. Primele aplicații comerciale, presupunând că ajung atât de departe, ar putea fi realizarea unor drone silențioase cu aripi fixe, inclusiv pentru monitorizarea mediului și platformele de comunicare.
Privind mai departe spre viitor, sperăm că acesta ar putea fi folosit în aeronave mai mari pentru a reduce zgomotul și chiar pentru a permite pielii exterioare a unei aeronave să ajute la producerea împingerii, fie în locul motoarelor, fie pentru a le crește puterea. De asemenea, este posibil ca echipamentele electroaerodinamice să poată fi miniaturizate, permițând o nouă varietate de nano-drone. Mulți ar putea crede că aceste posibilități sunt improbabile sau chiar imposibile. Dar asta s-au gândit inginerii anilor ’60 despre ceea ce facem deja astăzi.
Acest articol a fost publicat inițial pe The Conversation.
Steven Barrett, profesor de aeronautică și astronautică, Institutul de Tehnologie din Massachusetts
