Kijk hoe MIT-ingenieurs het eerst vliegen terwijl er geen bewegende delen zijn

MIT-ingenieurs hebben het allereerste vliegtuig zonder bewegende delen gebouwd en gevlogen. In plaats van propellers of turbines, wordt het lichte vliegtuig aangedreven door een "ionische wind" - een stille maar machtige stroom van ionen die aan boord van het vliegtuig wordt geproduceerd, en die voldoende stuwkracht genereert om het vliegtuig over een aanhoudende, gestage vlucht voort te stuwen.

Engineer Steven Barrett zegt dat de inspiratie voor het ionenvliegtuig van het team deels afkomstig is van de film- en televisieseries, Star Trek, die hij gretig als een kind zag. Hij was vooral aangetrokken tot de futuristische shuttlevliegtuigen die moeiteloos door de lucht scheerden, met schijnbaar geen bewegende delen en nauwelijks geluid of uitlaat.

"Dit deed me denken dat vliegtuigen op de lange termijn geen propellers en turbines mogen hebben," zegt Barrett. "Ze zouden meer op de shuttles moeten lijken Star Trek, die net een blauwe gloed hebben en geruisloos glijden."

Ongeveer negen jaar geleden ging Barrett op zoek naar manieren om een ​​voortstuwingssysteem te ontwerpen voor vliegtuigen zonder bewegende delen. Hij kwam uiteindelijk op "ionische wind", ook bekend als elektro-aerodynamische stuwkracht - een fysisch principe dat voor het eerst werd geïdentificeerd in de jaren 1920 en beschrijft een wind, of stuwkracht, die kan worden geproduceerd wanneer een stroom wordt doorgegeven tussen een dunne en een dikke elektrode. Als er voldoende spanning wordt aangelegd, kan de lucht tussen de elektroden voldoende stuwkracht produceren om een ​​klein vliegtuig voort te stuwen.

Jarenlang was elektro-aerodynamische stuwkracht meestal een hobbyistenproject, en ontwerpen waren voor het grootste deel beperkt tot kleine desktopheftoestellen die vastzaten aan grote spanningsbronnen die precies genoeg wind creëren voor een klein vaartuig om even in de lucht te zweven. Er werd grotendeels aangenomen dat het onmogelijk zou zijn om genoeg ionische wind te produceren om een ​​groter vliegtuig over een aanhoudende vlucht voort te stuwen.

"Het was een slapeloze nacht in een hotel toen ik een jetlag had, en ik zat daarover te denken en begon te zoeken naar manieren waarop het kon worden gedaan," herinnert hij zich. "Ik deed een aantal back-of-the-envelope-berekeningen en ontdekte dat het inderdaad een levensvatbaar voortstuwingssysteem zou kunnen worden," zegt Barrett. "En het bleek dat het vele jaren werk kostte om van die naar een eerste testvlucht te komen."

Het uiteindelijke ontwerp van het team lijkt op een grote, lichtgewicht zweefvliegtuig. Het vliegtuig, dat ongeveer vijf pond weegt en een spanwijdte van vijf meter heeft, draagt ​​een reeks dunne draden, die als horizontaal scherm langs en aan de voorkant van de vleugel van het vliegtuig worden gespannen. De draden werken als positief geladen elektroden, terwijl op overeenkomstige wijze aangebrachte dikkere draden, die langs het achtereind van de vleugel van het vlak lopen, dienen als negatieve elektroden.

De romp van het vliegtuig bevat een stapel lithium-polymeerbatterijen.Barrett's ion plane team bestond uit leden van Professor David Perreault's Power Electronics Research Group in het Research Laboratory of Electronics, die een voeding ontwierp die de output van de batterijen omzet naar een voldoende hoge spanning om het vliegtuig voort te stuwen. Op deze manier voeden de batterijen elektriciteit met 40.000 volt om de draden positief op te laden via een lichtgewicht stroomomvormer.

Zodra de draden zijn bekrachtigd, werken ze om negatief geladen elektronen uit de omringende luchtmoleculen aan te trekken en weg te strippen, als een gigantische magneet die ijzervijlsel aantrekt. De luchtmoleculen die achterblijven zijn nieuw geïoniseerd en worden op hun beurt aangetrokken door de negatief geladen elektroden aan de achterkant van het vlak.

Terwijl de nieuw gevormde wolk van ionen naar de negatief geladen draden stroomt, botst elk ion miljoenen malen met andere luchtmoleculen, waardoor een stuwkracht ontstaat die het vliegtuig voortstuwt.

Het team, waaronder ook Lincoln Laboratory-medewerkers Thomas Sebastian en Mark Woolston, vlogen het vliegtuig op meerdere testvluchten over het gymnasium in het duPont Athletic Center van MIT - de grootste binnenruimte die ze konden vinden om hun experimenten uit te voeren. Het team vloog het vliegtuig een afstand van 60 meter (de maximale afstand in de sportschool) en merkte dat het vliegtuig voldoende ionische stuwkracht produceerde om de hele tijd de vlucht te kunnen volhouden. Ze herhaalden de vlucht 10 keer, met vergelijkbare prestaties.

"Dit was het eenvoudigst mogelijke vliegtuig dat we konden ontwerpen en dat het concept kon bewijzen dat een ionenvliegtuig kon besturen", zegt Barrett. "Het is nog steeds ver verwijderd van een vliegtuig dat een nuttige missie zou kunnen uitvoeren. Het moet efficiënter zijn, langer vliegen en naar buiten vliegen."

Het team van Barrett werkt aan het verhogen van de efficiëntie van hun ontwerp om meer ionische wind te produceren met minder spanning. De onderzoekers hopen ook de duwdichtheid van het ontwerp te vergroten - de hoeveelheid stuwkracht die per oppervlakte-eenheid wordt gegenereerd. Momenteel vereist het vliegen van het lichtgewicht vlak van het team een ​​groot gebied van elektroden, die in wezen het voortstuwingssysteem van het vliegtuig vormen. Idealiter zou Barrett een vliegtuig willen ontwerpen zonder zichtbaar voortstuwingssysteem of afzonderlijke bedieningsoppervlakken zoals roeren en liften.

"Het duurde lang om hier te komen," zegt Barrett. "Van het basisprincipe naar iets dat eigenlijk vliegt, was een lange reis van het karakteriseren van de natuurkunde, en vervolgens met het ontwerp komen en het laten werken. Nu zijn de mogelijkheden voor dit soort voortstuwingssysteem levensvatbaar."