Από την εφεύρεσή τους πριν από περισσότερα από 100 χρόνια, τα αεροπλάνα έχουν μετακινηθεί μέσω του αέρα από τις περιστρεφόμενες επιφάνειες των ελίκων ή των στροβίλων. Αλλά βλέποντας ταινίες επιστημονικής φαντασίας όπως οι σειρές "Star Wars", "Star Trek" και "Επιστροφή στο μέλλον", φαντάστηκα ότι τα συστήματα πρόωσης του μέλλοντος θα ήταν σιωπηλά και ακόμα - ίσως με κάποιο είδος γαλάζιας λάμψης και " "Θόρυβο, αλλά δεν υπάρχουν κινούμενα μέρη και κανένα ρεύμα ρύπανσης δεν ρίχνει την πλάτη.
Αυτό δεν υπάρχει ακόμα, αλλά υπάρχει τουλάχιστον μία φυσική αρχή που θα μπορούσε να είναι πολλά υποσχόμενη. Περίπου εννέα χρόνια πριν, άρχισα να ερευνούν τη χρήση ιονικών ανέμων - ροές φορτισμένων σωματιδίων μέσω του αέρα - ως μέσο τροφοδοσίας της πτήσης. Στηριζόμενη σε δεκαετίες έρευνας και πειραματισμού από ακαδημαϊκούς και χομπίστες, επαγγελματίες και φοιτητές επιστήμης των γυμνασίων, η ερευνητική μου ομάδα πέταξε πρόσφατα ένα σχεδόν σιωπηλό αεροπλάνο χωρίς κινητά μέρη.
Το αεροπλάνο ζύγισε περίπου πέντε κιλά (2, 45 κιλά) και είχε ένα άνοιγμα των πτερυγίων 15 μέτρα (5 μέτρα) και ταξίδευε περίπου 60 μέτρα (60 μέτρα), οπότε απέχει πολύ από την αποτελεσματική μεταφορά φορτίου ή ανθρώπων σε μεγάλες αποστάσεις. Αλλά έχουμε αποδείξει ότι είναι δυνατή η πτήση ενός οχήματος βαρύτερου από τον αέρα χρησιμοποιώντας ιονικούς ανέμους. Έχει ακόμη και μια λάμψη που μπορείτε να δείτε στο σκοτάδι.
Επανεξέταση της απορριπτόμενης έρευνας
Η διαδικασία που χρησιμοποιεί το αεροπλάνο μας, που ονομαζόταν επισήμως ηλεκτροαεροδυναμική πρόωση, ερευνήθηκε ήδη από τη δεκαετία του 1920 από έναν εκκεντρικό επιστήμονα που πίστευε ότι είχε ανακαλύψει αντιβαρύτητα - κάτι που φυσικά δεν συμβαίνει. Στη δεκαετία του 1960, οι μηχανικοί της αεροδιαστημικής εξερεύνησαν τη χρήση τους για την πτήση, αλλά κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι δεν θα ήταν δυνατή η κατανόηση των ιονικών ανέμων και η τεχνολογία που ήταν διαθέσιμη εκείνη τη στιγμή.
Πιο πρόσφατα, όμως, ένας τεράστιος αριθμός χομπίστων - και οι μαθητές γυμνασίου που πραγματοποιούν επιστημονικά δίκαια έργα - έχουν κατασκευάσει μικρές συσκευές ηλεκτροαεροδυναμικής προώθησης που πρότειναν ότι θα μπορούσε τελικά να λειτουργήσει. Το έργο τους ήταν ζωτικής σημασίας για τις πρώτες μέρες της δουλειάς της ομάδας μου. Προσπαθήσαμε να βελτιώσουμε το έργο τους, κυρίως με τη διεξαγωγή μιας μεγάλης σειράς πειραμάτων για να μάθουμε πώς να βελτιστοποιούμε το σχεδιασμό ηλεκτροαεροδυναμικών προωστικών μηχανισμών.
Μετακίνηση του αέρα, όχι τα επίπεδα μέρη
Η υποκείμενη φυσική της ηλεκτροαεροδυναμικής προώθησης είναι σχετικά απλή για να εξηγήσει και να εφαρμόσει, αν και μερικές από τις υποκείμενες φυσικές είναι πολύπλοκες.
Χρησιμοποιούμε ένα λεπτό νήμα ή σύρμα που φορτίζεται σε +20.000 βολτ με ένα ελαφρύ μετατροπέα ισχύος, ο οποίος με τη σειρά του παίρνει την ισχύ του από μια μπαταρία λιθίου-πολυμερούς. Τα λεπτά νήματα ονομάζονται πομποί και είναι πλησιέστερα στο μπροστινό μέρος του αεροπλάνου. Γύρω από αυτούς τους εκπομπούς το ηλεκτρικό πεδίο είναι τόσο ισχυρό ώστε ο ιονισμένος αέρας - τα ουδέτερα μόρια αζώτου χάνουν ένα ηλεκτρόνιο και γίνονται θετικά φορτισμένα ιόντα αζώτου.
Πιο πίσω στο αεροπλάνο τοποθετούμε μια αεροτομή - όπως μια μικρή πτέρυγα - της οποίας η αιχμή είναι ηλεκτρικά αγώγιμη και φορτίζεται σε -20.000 βολτ από τον ίδιο μετατροπέα ισχύος. Αυτό ονομάζεται συλλέκτης. Ο συλλέκτης προσελκύει τα θετικά ιόντα προς αυτήν. Καθώς τα ρεύματα ιόντων από τον πομπό στον συλλέκτη συγκρούονται με αφόρτιστα μόρια αέρα, προκαλώντας αυτό που ονομάζεται ιονικός άνεμος που ρέει ανάμεσα στους εκπομπούς και τους συλλέκτες, προωθώντας το επίπεδο προς τα εμπρός.
Αυτός ο ιονικός άνεμος αντικαθιστά τη ροή του αέρα που θα δημιουργούσε ένας κινητήρας τζετ ή έλικα.
Ξεκινώντας μικρός
Έχω οδηγήσει έρευνα που έχει διερευνήσει πώς αυτό το είδος της πρόωσης λειτουργεί πραγματικά, αναπτύσσοντας λεπτομερή γνώση του πόσο αποτελεσματική και ισχυρή μπορεί να είναι.
Η ομάδα μου και εγώ συνεργαστήκαμε επίσης με ηλεκτρολόγους μηχανικούς για να αναπτύξουμε τα ηλεκτρονικά που είναι απαραίτητα για να μετατρέψουμε την απόδοση των μπαταριών στις δεκάδες χιλιάδες volts που χρειάζονται για να δημιουργήσουμε έναν ιονικό άνεμο. Η ομάδα ήταν σε θέση να παράγει έναν μετατροπέα ισχύος πολύ ελαφρύτερο από οποιοδήποτε προηγουμένως διαθέσιμο. Αυτή η συσκευή ήταν αρκετά μικρή ώστε να είναι πρακτική σε ένα σχέδιο αεροσκάφους, το οποίο τελικά μπορούσαμε να κατασκευάσουμε και να πετάξουμε.
Η πρώτη μας πτήση είναι, φυσικά, πολύ μακριά από τους ανθρώπους που πετούν. Εργαζόμαστε ήδη για να καταστήσουμε αυτόν τον τύπο πρόωσης πιο αποδοτικό και ικανό να μεταφέρει μεγαλύτερα φορτία. Οι πρώτες εμπορικές εφαρμογές, αν υποτεθεί ότι παίρνουν τόσο πολύ, θα μπορούσαν να κάνουν σιωπηλές σταθερές πτέρυγες, συμπεριλαμβανομένων και για πλατφόρμες περιβαλλοντικής παρακολούθησης και επικοινωνίας.
Κοιτάζοντας μακρύτερα στο μέλλον, ελπίζουμε ότι θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε μεγαλύτερα αεροσκάφη για να μειώσει το θόρυβο και ακόμη και να επιτρέψει στο εξωτερικό δέρμα του αεροσκάφους να συμβάλει στην ώθηση είτε στη θέση των κινητήρων είτε στην αύξηση της ισχύος τους. Είναι επίσης πιθανό ότι ο ηλεκτροαεροδυναμικός εξοπλισμός θα μπορούσε να μικρογραφηθεί, επιτρέποντας μια νέα ποικιλία νανοδρόνων. Πολλοί μπορεί να πιστεύουν ότι αυτές οι δυνατότητες είναι απίθανο ή και αδύνατο. Αλλά αυτό που οι μηχανικοί της δεκαετίας του 1960 σκεφτόταν αυτό που κάνουμε ήδη σήμερα.
Αυτό το άρθρο δημοσιεύθηκε αρχικά στην Η συζήτηση.
Steven Barrett, Καθηγητής Αεροναυτικής και Αστροναυτικής, Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης
