Sinds hun uitvinding meer dan 100 jaar geleden zijn vliegtuigen door de lucht bewogen door de draaiende oppervlakken van propellers of turbines. Maar toen ik sciencefictionfilms keek, zoals de series "Star Wars", "Star Trek" en "Back to the Future", stelde ik me voor dat de aandrijfsystemen van de toekomst stil en stil zouden zijn - misschien met een soort blauwe gloed en "whoosh" "Lawaai, maar geen bewegende delen en geen stroom vervuiling die uit de achterkant stroomt.
Dat bestaat nog niet, maar er is minstens één fysiek principe dat veelbelovend kan zijn. Ongeveer negen jaar geleden begon ik te onderzoeken met behulp van ionische winden - stromen van geladen deeltjes door de lucht - als middel om de vlucht te stimuleren. Voortbouwend op decennia van onderzoek en experimenten door academici en hobbyisten, professionals en middelbare scholieren, vloog mijn onderzoeksgroep onlangs in een vrijwel stil vliegtuig zonder bewegende delen.
Het vliegtuig woog ongeveer vijf pond (2, 45 kilogram) en had een spanwijdte van 15 voet (5 meter), en reisde ongeveer 180 voet (60 meter), dus het is een lange weg van het efficiënt vervoeren van vracht of mensen lange afstanden. Maar we hebben bewezen dat het mogelijk is om een zwaarder dan luchtvoertuig te besturen met behulp van ionische winden. Het heeft zelfs een gloed die je in het donker kunt zien.
Teruggeworpen onderzoek opnieuw bezoeken
Het proces dat ons vliegtuig gebruikt, formeel elektro-aerodynamische voortstuwing genoemd, werd al in de jaren 1920 onderzocht door een excentrieke wetenschapper die dacht dat hij anti-zwaartekracht had ontdekt - wat natuurlijk niet het geval was. In de jaren zestig hebben lucht- en ruimtevaartingenieurs het gebruikt om het vliegtuig te besturen, maar ze concludeerden dat dit niet mogelijk zou zijn met het begrip van ionische winden en de op dat moment beschikbare technologie.
Meer recent hebben echter een groot aantal hobbyisten - en middelbare scholieren die wetenschappelijke projecten uitvoeren - kleine elektro-aerodynamische voortstuwingsapparatuur gebouwd die suggereerde dat het toch zou kunnen werken. Hun werk was cruciaal voor de vroege dagen van het werk van mijn groep. We probeerden hun werk te verbeteren, met name door een groot aantal experimenten uit te voeren om te leren hoe het ontwerp van elektro-aerodynamische boegschroeven te optimaliseren.
De lucht verplaatsen, niet de vlakke delen
De onderliggende fysica van elektro-aerodynamische voortstuwing is relatief eenvoudig uit te leggen en te implementeren, hoewel een deel van de onderliggende fysica complex is.
We gebruiken een dunne gloeidraad of draad die wordt opgeladen tot +20.000 volt met behulp van een lichtgewicht stroomomvormer, die op zijn beurt stroom krijgt van een lithium-polymeerbatterij. De dunne filamenten worden emitters genoemd en bevinden zich dichter bij de voorkant van het vliegtuig. Rond deze emitters is het elektrische veld zo sterk dat de lucht geïoniseerd wordt - neutrale stikstofmoleculen verliezen een elektron en worden positief geladen stikstofionen.
Verderop in het vliegtuig plaatsen we een vleugelprofiel - als een kleine vleugel - waarvan de voorrand elektrisch geleidend is en door dezelfde stroomomvormer tot -20.000 volt wordt geladen. Dit wordt de verzamelaar genoemd. De verzamelaar trekt de positieve ionen er naartoe. Terwijl de ionen van de zender naar de collector stromen, botsen ze met ongeladen luchtmoleculen, wat een ionische wind veroorzaakt die tussen de emitters en collectoren stroomt en het vliegtuig voortstuwt.
Deze ionische wind vervangt de luchtstroom die een straalmotor of propeller zou veroorzaken.
Klein beginnen
Ik heb onderzoek geleid dat heeft onderzocht hoe dit type aandrijving werkt, en heb gedetailleerde kennis ontwikkeld over hoe efficiënt en krachtig het kan zijn.
Mijn team en ik hebben ook samengewerkt met elektrotechnici om de elektronica te ontwikkelen die nodig is om de output van batterijen om te zetten in de tienduizenden volt die nodig zijn om een ionische wind te creëren. Het team was in staat om een stroomconvertor te produceren die veel lichter was dan ooit tevoren. Dat apparaat was klein genoeg om praktisch te zijn in een vliegtuigontwerp, dat we uiteindelijk konden bouwen en vliegen.
Onze eerste vlucht is natuurlijk een heel lange weg van vliegende mensen. We zijn al bezig om dit type aandrijving efficiënter te maken en grotere ladingen te kunnen dragen. De eerste commerciële toepassingen, ervan uitgaande dat het zover komt, zouden kunnen zijn in het maken van stille drones met vaste vleugels, inclusief voor omgevingsmonitoring en communicatieplatforms.
Verder kijkend in de toekomst, hopen we dat het in grotere vliegtuigen kan worden gebruikt om lawaai te verminderen en zelfs de buitenhuid van een vliegtuig toe te laten om stuwkracht te produceren, in plaats van motoren of om hun vermogen te vergroten. Het is ook mogelijk dat elektro-aerodynamische apparatuur kan worden geminiaturiseerd, waardoor een nieuwe verscheidenheid aan nano-drones mogelijk wordt. Velen denken misschien dat deze mogelijkheden onwaarschijnlijk of zelfs onmogelijk zijn. Maar dat is wat de ingenieurs van de jaren zestig dachten over wat we vandaag al doen.
Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation.
Steven Barrett, hoogleraar Luchtvaart en ruimtevaart, Massachusetts Institute of Technology
