Od svého vynálezu před více než 100 lety se letadla pohybovala vzduchem spřádacími plochami vrtulí nebo turbín. Ale při sledování filmů sci-fi, jako jsou série „Star Wars“, „Star Trek“ a „Back to the Future“, jsem si představoval, že pohonné systémy budoucnosti budou tiché a stále - možná s nějakým druhem modré záře a „whoosh „Hluk, ale žádné pohyblivé části a žádný proud znečištění, který vylévá zezadu.
To ještě neexistuje, ale existuje alespoň jeden fyzický princip, který by mohl být slibný. Asi před devíti lety jsem začal zkoumat použití iontového větru - toků nabitých částic vzduchem - jako prostředku pohánějícího let. V návaznosti na desetiletí výzkumu a experimentů akademiků a fandů, profesionálů a studentů středních škol, moje výzkumná skupina nedávno letěla téměř tichým letadlem bez pohyblivých částí.
Letadlo vážilo asi pět liber (2, 45 kilogramu) a mělo rozpětí křídla 15 metrů (5 metrů) a cestovalo asi 180 metrů (60 metrů), takže je to dlouhá cesta od efektivního přepravy nákladu nebo lidí na velké vzdálenosti. Dokázali jsme však, že je možné letět těžší než vzduchem pomocí iontového větru. Má dokonce záři, kterou můžete vidět ve tmě.
Revidování vyřazeného výzkumu
Proces, který naše letadlo používá, formálně nazývaný elektroaerodynamický pohon, byl zkoumán již ve dvacátých letech minulého století excentrickým vědcem, který si myslel, že objevil antigravitaci - což samozřejmě nebyl případ. V šedesátých letech dvacátého století leteckí inženýři prozkoumali, jak ji používají k pohonu letu, ale dospěli k závěru, že by to nebylo možné s porozuměním iontovým větrům a tehdejší dostupné technologii.
V poslední době však velké množství fandů - a studentů středních škol, kteří dělají vědecké veletržní projekty - postavili malá elektroaerodynamická pohonná zařízení, která naznačovala, že by to nakonec mohlo fungovat. Jejich práce byla klíčová k počátkům práce mé skupiny. Snažili jsme se zlepšit jejich práci, zejména provedením velké série experimentů, abychom zjistili, jak optimalizovat konstrukci elektroaerodynamických pohonných jednotek.
Pohyb vzduchu, ne části letadla
Základní fyzika elektroaerodynamického pohonu je relativně jednoduché vysvětlit a implementovat, ačkoli část základní fyziky je složitá.
Používáme tenké vlákno nebo drát, který se nabíjí na +20 000 voltů pomocí lehkého výkonového měniče, který zase získává energii z lithium-polymerové baterie. Tenká vlákna se nazývají zářiče a jsou blíže k přední části letadla. Kolem těchto zářičů je elektrické pole tak silné, že se vzduch ionizuje - neutrální molekuly dusíku ztratí elektron a stanou se pozitivně nabitými dusíkovými ionty.
Dál zpět na rovinu umístíme profil křídla - jako malé křídlo - jehož přední hrana je elektricky vodivá a stejným výkonovým měničem nabitá na -20 000 voltů. Tomu se říká sběratel. Sběratel k němu přitahuje pozitivní ionty. Když ionty proudí z emitoru do kolektoru, srazí se s nenabitou molekulou vzduchu, což způsobuje to, co se nazývá iontový vítr, který teče mezi emitorem a kolektorem, a letounu posouvá dopředu.
Tento iontový vítr nahrazuje proud vzduchu, který by vytvořil proudový motor nebo vrtule.
Počínaje malým
Vedl jsem výzkum, který zkoumal, jak tento typ pohonu skutečně funguje, a vyvíjel jsem podrobné znalosti o tom, jak efektivní a výkonný může být.
Můj tým a já jsme také spolupracovali s elektrotechniky na vývoji elektroniky potřebné k převodu výkonu baterií na desítky tisíc voltů potřebných k vytvoření iontového větru. Tým byl schopen vyrobit výkonný měnič mnohem lehčí, než jaký byl dříve k dispozici. Toto zařízení bylo dost malé na to, aby bylo praktické v konstrukci letadel, které jsme nakonec dokázali vyrobit a létat.
Náš první let je samozřejmě velmi dlouhá cesta od létání lidí. Již pracujeme na zefektivnění tohoto typu pohonu a schopnosti přenášet větší náklady. První komerční aplikace, za předpokladu, že se dostanou tak daleko, by mohla být ve výrobě tichých dronů s pevnými křídly, včetně monitorování životního prostředí a komunikačních platforem.
Když se podíváme dále do budoucnosti, doufáme, že by mohlo být použito ve větších letadlech ke snížení hluku a dokonce umožnilo vnější kůži letadla, aby pomohla produkovat tah, a to buď místo motorů, nebo ke zvýšení jejich výkonu. Je také možné, že elektroaerodynamická zařízení by mohla být miniaturizována, což by umožnilo novou škálu nano-dronů. Mnozí by věřili, že tyto možnosti jsou nepravděpodobné nebo dokonce nemožné. Ale to je to, co si inženýři šedesátých let mysleli na to, co už dnes děláme.
Tento článek byl původně publikován v The Conversation.
Steven Barrett, profesor letectví a kosmonautiky, Massachusetts Institute of Technology
