Pärast nende leiutamist enam kui 100 aastat tagasi on lennukid propellerite või turbiinide ketruspindade abil õhu kaudu liikunud. Kuid vaadates ulmefilme, nagu seriaalid "Tähesõjad", "Tähtede trekk" ja "Tagasi tulevikku", kujutasin ma ette, et tuleviku tõukejõusüsteemid on vaiksed ja ikkagi - võib-olla mingi sinise kuma ja "hooga" ”Müra, kuid puuduvad liikuvad osad ja seljaosa ei vala saastevoog.
Seda ei eksisteeri veel, kuid on olemas vähemalt üks füüsiline põhimõte, mis võiks olla paljulubav. Umbes üheksa aastat tagasi hakkasin uurima ioontuulide - laetud osakeste voogude läbi õhu - kasutamist lennureisiks. Tuginedes teadlaste ja harrastajate, spetsialistide ja keskkooli loodusteaduste tudengite aastakümnete pikkustele uuringutele ja katsetele, lendas minu uurimisrühm hiljuti peaaegu vaikse lennuki, ilma liikuvate osadeta.
Lennuk kaalus umbes viis naela (2, 45 kilogrammi) ja selle tiivaulatus oli 15 meetrit (5 meetrit) ning ta sõitis umbes 60 jalga umbes 180 jalga, seega on lasti või inimeste efektiivsel vedamisel pikka vahemaad vaja minna kaugel. Kuid me tõestasime, et ioonse tuulega on võimalik lennata õhust raskemast sõidukist. Sellel on isegi kuma, mida saate pimedas näha.
Lükatud teadustöö uuesti läbivaatamine
Protsessi, mida meie lennuk kasutab ja mida ametlikult nimetatakse elektroaerodünaamiliseks tõukejõuks, uuris juba 1920. aastatel ekstsentriline teadlane, kes arvas, et on avastanud antigravitatsiooni - mis muidugi ei olnud nii. 1960ndatel uurisid kosmose- ja kosmoseinsenerid selle kasutamist lennureisiks, kuid nad jõudsid järeldusele, et ioontuule ja sellel ajal olemasoleva tehnoloogia mõistmine pole võimalik.
Viimasel ajal on tohutu hulk harrastajaid - ja keskkooliõpilasi, kes tegelevad teadusmessiprojektidega - ehitanud väikeseid elektroaerodünaamilisi tõukeseadmeid, mis näitasid, et see võiks ikkagi toimida. Nende töö oli pöördeline minu rühma töö algusaegadel. Otsisime nende tööd paremaks, eriti läbi viies suure hulga katseid, et õppida optimeerima elektroaerodünaamilisi tõukejõude.
Liikuvad õhk, mitte lennukiosad
Elektroaerodünaamilise tõukejõu füüsikat on suhteliselt lihtne seletada ja rakendada, ehkki osa selle aluseks olevast füüsikast on keeruline.
Kasutame õhukest hõõgniiti või traati, mis laaditakse kerge toitemuunduri abil +20 000 volti, mis omakorda saab oma võimsuse liitium-polümeerist akust. Õhukesi filamente nimetatakse emitteriteks ja need on tasapinna esiküljest lähemal. Nende emitterite ümber on elektriväli nii tugev, et õhk ioniseerub - neutraalsed lämmastiku molekulid kaotavad elektroni ja muutuvad positiivselt laetud lämmastikuioonideks.
Tagasi lennukile asetame aerodünaamilise plaadi - nagu väike tiib -, mille esiserv on elektrit juhtiv ja sama võimsusmuunduri poolt laetud -20 000 volti. Seda nimetatakse kogujaks. Kollektor meelitab selle poole positiivseid ioone. Kui ioonid voolavad emitterist kollektorisse, põrkuvad nad laadimata õhu molekulidega, põhjustades emitterite ja kollektorite vahel voolavat ioontuult, mis ajab tasapinna edasi.
See ioontuul asendab õhuvoolu, mida reaktiivmootor või propeller tekitaks.
Alustades väikesest
Olen juhtinud uuringuid, kus on uuritud, kuidas seda tüüpi tõukejõud tegelikult töötab, arendades üksikasjalikke teadmisi selle kohta, kui tõhus ja võimas see võib olla.
Minu meeskond ja mina oleme koos elektriinseneridega töötanud ka elektroonika arendamiseks, mis on vajalik akude väljundi muundamiseks ioontuule tekitamiseks vajalikuks kümneks tuhandeks voltiks. Meeskond suutis toitemuunduri toota palju kergemini kui ükski varem saadav. See seade oli piisavalt väike, et see oleks praktiline lennuki kujundamisel, mille me lõpuks suutsime ehitada ja lennata.
Meie esimene lend on muidugi inimeste lendamisest väga kaugel. Töötame juba selle nimel, et muuta seda tüüpi tõukejõud tõhusamaks ja võimeliseks kandma suuremaid koormusi. Esimesed kommertsrakendused, kui eeldada, et see kaugele jõuavad, võiksid olla vaikse fikseeritud tiivaga droonide valmistamine, sealhulgas keskkonnaseire ja sideplatvormide jaoks.
Vaadates kaugemale tulevikku, loodame, et seda saaks kasutada suuremates lennukites müra vähendamiseks ja isegi selleks, et õhusõiduki välispind saaks mootori asemel tõukejõudu tekitada või nende võimsust suurendada. Samuti on võimalik, et elektroaerodünaamilisi seadmeid saab miniaturiseerida, võimaldades uut tüüpi nano-droone. Paljud võivad arvata, et need võimalused on ebatõenäolised või isegi võimatud. Kuid just seda mõtlesid 1960ndate insenerid sellele, mida me juba täna teeme.
See artikkel avaldati algselt lehel The Conversation.
Steven Barrett, Massachusettsi tehnoloogiainstituudi aeronautika ja astronautika professor
