Sinds het eerste vliegtuig meer dan 100 jaar geleden vloog, vrijwel elk vliegtuig in de lucht heeft gevlogen met behulp van bewegende delen zoals propellers, turbinebladen, en fans, die worden aangedreven door de verbranding van fossiele brandstoffen of door batterijpakketten die een aanhoudende, jankend gezoem.

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

In tegenstelling tot vliegtuigen met turbineaandrijving, het vliegtuig is niet afhankelijk van fossiele brandstoffen om te vliegen. En in tegenstelling tot propeller-aangedreven drones, het nieuwe ontwerp is volledig stil.

"Dit is de allereerste aanhoudende vlucht van een vliegtuig zonder bewegende delen in het voortstuwingssysteem, " zegt Steven Barrett, universitair hoofddocent luchtvaart en ruimtevaart aan het MIT. "Dit heeft mogelijk nieuwe en onontgonnen mogelijkheden geopend voor vliegtuigen die stiller zijn, mechanisch eenvoudiger, en geen verbrandingsemissies uitstoten."

Hij verwacht dat op korte termijn dergelijke ionenwind-voortstuwingssystemen zouden kunnen worden gebruikt om minder luidruchtige drones te vliegen. Verder weg, hij stelt zich ionenaandrijving voor in combinatie met meer conventionele verbrandingssystemen om zuiniger, hybride passagiersvliegtuigen en andere grote vliegtuigen.

Barrett en zijn team aan het MIT hebben hun resultaten in het tijdschrift gepubliceerd Natuur .

Hobby ambachten

Barrett zegt dat de inspiratie voor het ionenvliegtuig van het team deels uit de film- en televisieserie komt, "Star Trek, " waar hij als kind gretig naar keek. Hij werd vooral aangetrokken door de futuristische shuttles die moeiteloos door de lucht scheerden, met schijnbaar geen bewegende delen en nauwelijks geluid of uitlaatgassen.

"Dit zette me aan het denken, in de toekomst op lange termijn, vliegtuigen mogen geen propellers en turbines hebben, "zegt Barrett. "Ze zouden meer moeten lijken op de shuttles in 'Star Trek', ' die slechts een blauwe gloed hebben en stil glijden."

Ongeveer negen jaar geleden, Barrett ging 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 fysiek 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 geleid tussen een dunne en een dikke elektrode. Als er voldoende spanning wordt toegepast, de lucht tussen de elektroden kan voldoende stuwkracht produceren om een ​​klein vliegtuig voort te stuwen.

Voor jaren, elektro-aerodynamische stuwkracht is meestal een project van een hobbyist geweest, en ontwerpen zijn voor het grootste deel beperkt tot kleine, desktop "lifters" vastgemaakt aan grote spanningsbronnen die net genoeg wind creëren voor een klein vaartuig om kort in de lucht te zweven. Er werd grotendeels aangenomen dat het onmogelijk zou zijn om voldoende 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 dacht hierover na en begon te zoeken naar manieren waarop het kon worden gedaan, " herinnert hij zich. "Ik deed wat back-of-the-envelop berekeningen en ontdekte dat, Ja, het zou een levensvatbaar voortstuwingssysteem kunnen worden, "zegt Barrett. "En het bleek dat het vele jaren werk nodig had om van die eerste testvlucht te komen."

Ionen nemen de vlucht

Het uiteindelijke ontwerp van het team lijkt op een grote, lichtgewicht zweefvliegtuig. Het vliegtuig, die ongeveer 5 pond weegt en een spanwijdte van 5 meter heeft, draagt ​​een reeks dunne draden, die als horizontaal hekwerk langs en onder de voorkant van de vleugel van het vliegtuig zijn gespannen. De draden werken als positief geladen elektroden, terwijl op dezelfde manier dikkere draden zijn gerangschikt, langs de achterkant van de vleugel van het vliegtuig lopen, dienen als negatieve elektroden.

De romp van het vliegtuig bevat een stapel lithium-polymeerbatterijen. Het ionenvliegtuigteam van Barrett omvatte leden van de Power Electronics Research Group van professor David Perreault in het Research Laboratory of Electronics, die een voeding ontwierp die de output van de batterijen zou omzetten in een voldoende hoge spanning om het vliegtuig voort te stuwen. Op deze manier, de batterijen leveren stroom bij 40, 000 volt om de draden positief op te laden via een lichtgewicht stroomomvormer.

Zodra de draden zijn geactiveerd, ze werken om negatief geladen elektronen aan te trekken en weg te strippen van de omringende luchtmoleculen, 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 vliegtuig.

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

Het team, waaronder ook het Lincoln Laboratory-personeel Thomas Sebastian en Mark Woolston, vloog het vliegtuig in 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 met het vliegtuig een afstand van 60 meter (de maximale afstand binnen de sportschool) en ontdekte dat het vliegtuig genoeg ionische stuwkracht produceerde om de hele tijd te kunnen blijven vliegen. Ze herhaalden de vlucht 10 keer, met vergelijkbare prestaties.

"Dit was het eenvoudigst mogelijke vliegtuig dat we konden ontwerpen dat het concept kon bewijzen dat een ionenvliegtuig kon vliegen, ' zegt Barrett. 'Het is nog een eind verwijderd van een vliegtuig dat een nuttige missie zou kunnen uitvoeren. Het moet efficiënter, 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 stuwkrachtdichtheid van het ontwerp te vergroten - de hoeveelheid stuwkracht die per oppervlakte-eenheid wordt gegenereerd. Momenteel, vliegen met het lichtgewicht vliegtuig van het team vereist een groot gebied aan elektroden, die in wezen het voortstuwingssysteem van het vliegtuig vormt. Ideaal, Barrett zou graag een vliegtuig ontwerpen zonder zichtbaar voortstuwingssysteem of aparte bedieningsoppervlakken zoals roeren en liften.

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