Lentokoneita on kuljetettu ilman läpi potkurien tai turbiinien kehruupintojen avulla niiden keksinnöstä lähtien yli 100 vuotta sitten. Mutta katsellen tieteiskirjallisuuselokuvia, kuten “Tähtien sota”, “Tähtitrekki” ja “Takaisin tulevaisuuteen” -sarjaa, kuvittelin, että tulevaisuuden työntövoimajärjestelmät olisivat hiljaisia ja edelleen - ehkä jonkinlaisella sinisellä hehkulla ja ”Melu, mutta ei liikkuvia osia eikä selkää kaatavaa pilaantumista.
Sitä ei vielä ole, mutta on ainakin yksi fyysinen periaate, joka voi olla lupaava. Noin yhdeksän vuotta sitten aloin tutkia ionisten tuulien - varautuneiden hiukkasten virtauksia ilman läpi - käyttöä lentokoneena. Tutkimusryhmäni on viime vuosikymmenien tutkijoiden ja harrastajien, ammattilaisten ja lukion luonnontieteiden opiskelijoiden suorittaman tutkimuksen ja kokeilujen perusteella lennettänyt äskettäin melkein hiljaiseen lentokoneeseen ilman liikkuvia osia.
Lentokone paino noin viisi kiloa (2, 45 kilogrammaa) ja siipiväli oli 5 metriä 15 jalkaa ja matkusti noin 60 metriä 180 jalkaa, joten etäisyys tehokkaasta lastin tai ihmisten kuljettamisesta pitkille matkoille on kaukana. Mutta olemme osoittaneet, että on mahdollista lentää ilmaa raskaampaa ajoneuvoa ionisen tuulen avulla. Siinä on jopa hehku, jonka voit nähdä pimeässä.
Hylätyn tutkimuksen tarkistaminen
Epäkeskeinen tutkija, joka ajatteli löytäneensä antigravitaation, tutki jo 1920-luvulla prosessiamme, jota virallisesti kutsutaan elektroaerodynaamiseksi työntövoimaksi - mikä ei tietenkään ollut kyse. 1960-luvulla ilmailu- ja avaruustekniikan insinöörit tutkivat sen käyttämistä lentoonlähtöön, mutta he päättelivät, että se ei olisi mahdollista ionisten tuulien ja tuolloin käytettävissä olevan tekniikan ymmärtämisen avulla.
Viime aikoina kuitenkin valtava joukko harrastelijoita - ja lukion oppilaita, jotka tekevät tiedemessuhankkeita - ovat rakentaneet pieniä sähköaerodynaamisia työntölaitteita, joiden perusteella se voisi toimia. Heidän työnsä oli keskeinen ryhmäni alkuaikoina. Pyrimme parantamaan heidän työtään, etenkin tekemällä suuren sarjan kokeita oppiaksemme, kuinka optimoida elektroaerodynaamisten potkurien suunnittelu.
Ilma, ei koneen osat, liikkuvat
Sähköaerodynaamisen työntövoiman taustalla oleva fysiikka on suhteellisen suoraviivainen selittää ja toteuttaa, vaikka osa taustalla olevasta fysiikasta onkin monimutkaista.
Käytämme ohutta hehkulankaa tai lankaa, joka ladataan +20 000 voltiin kevyellä virtamuuntajalla, joka puolestaan saa voimansa litiumpolymeeriparistosta. Ohuita filamentteja kutsutaan emittereiksi ja ne ovat lähempänä tason etuosaa. Näiden säteilijöiden ympärillä sähkökenttä on niin voimakas, että ilma ionisoituu - neutraalit typpimolekyylit menettävät elektronin ja muuttuvat positiivisesti varautuneiksi typpi-ioneiksi.
Kauempana taaksepäin asetamme lentokoneen - kuten pieni siipi -, jonka etureuna on sähköä johtava ja jonka varaus on -20 000 volttia samalla virtamuuntajalla. Tätä kutsutaan keräilijäksi. Keräin houkuttelee positiivisia ioneja sitä kohti. Kun ionit virtaavat emitteristä kollektoriin, ne törmäävät varautumattomien ilmamolekyylien kanssa aiheuttaen niin kutsutun ionisen tuulen, joka virtaa emitterien ja kollektorien välillä, ajaen tason eteenpäin.
Tämä ioninen tuuli korvaa ilmavirran, jonka suihkumoottori tai potkuri tuottaisi.
Alkaen pienestä
Olen johtanut tutkimusta, jossa on selvitetty, kuinka tämäntyyppinen työntövoima todella toimii, kehittäen yksityiskohtaista tietoa siitä, kuinka tehokas ja tehokas se voi olla.
Tiimini ja minä olemme työskennelleet yhdessä sähköinsinöörien kanssa kehittääkseen elektroniikkaa, jota tarvitaan paristojen tuotannon muuntamiseksi kymmeniin tuhansiin volteihin, joita tarvitaan ionisen tuulen luomiseen. Ryhmä pystyi tuottamaan huomattavasti kevyemmän muuntajan kuin mitä aikaisemmin oli saatavana. Tämä laite oli tarpeeksi pieni käytännölliseksi ilma-aluksen suunnittelussa, jonka me lopulta pystyimme rakentamaan ja lentämään.
Ensimmäinen lento on tietysti hyvin kaukana ihmisten lentämisestä. Pyrimme jo tekemään tämän tyyppistä työntövoimaa tehokkaammaksi ja kykeneväksi kuljettamaan suurempia kuormia. Ensimmäiset kaupalliset sovellukset, olettaen, että se menee niin pitkälle, voisivat olla hiljaisten kiinteiden siipien droonien valmistaminen, mukaan lukien ympäristön seuranta- ja viestintäalustoille.
Toivomme tulevaisuuteen toivomme, että sitä voitaisiin käyttää suuremmissa lentokoneissa melun vähentämiseksi ja jopa antaa ilma-aluksen ulkopinnan auttaa tuottamaan työntövoimaa joko moottorien sijasta tai lisäämään niiden tehoa. On myös mahdollista, että sähköaerodynaamiset laitteet voidaan pienentää, mikä mahdollistaa uudenlaisen nano-dronon. Monet saattavat uskoa, että nämä mahdollisuudet ovat epätodennäköisiä tai jopa mahdottomia. Mutta sitä 1960-luvun insinöörit ajattelivat sitä, mitä teemme jo tänään.
Tämä artikkeli on alun perin julkaistu keskustelussa.
Steven Barrett, ilmailun ja astronautian professori, Massachusetts Institute of Technology
