Siden oppfinnelsen for mer enn 100 år siden, har fly blitt flyttet gjennom luften av spinneflatene til propeller eller turbiner. Men når jeg så på science fiction-filmer som “Star Wars”, “Star Trek” og “Back to the Future” -serien, forestilte jeg meg at fremtidens fremdriftssystemer ville være stille og stille - kanskje med en slags blå glød og “whoosh ”Støy, men ingen bevegelige deler, og ingen strøm av forurensning som strømmer ut ryggen.
Det eksisterer ikke ennå, men det er minst ett fysisk prinsipp som kan være lovende. For rundt ni år siden begynte jeg å undersøke å bruke ioniske vinder - strømmer av ladde partikler gjennom luften - som et middel til å drive flyt. På grunnlag av flere tiår med forskning og eksperimentering av akademikere og hobbyfag, fagfolk og vitenskapsstudenter på videregående skole, fløy forskergruppen min et nesten stille fly uten noen bevegelige deler.
Flyet veide omtrent 5 kilo (2, 45 kilo) og hadde et vingespenn på 5 fot og reiste 60 meter (60 fot), så det er lang vei fra å frakte last eller folk lang avstand. Men vi har bevist at det er mulig å fly et tyngre enn luftkjøretøy ved hjelp av ioniske vinder. Den har til og med en glød du kan se i mørket.
Reviderer forkastet forskning
Prosessen flyet vårt bruker, formelt kalt elektroerodynamisk fremdrift, ble undersøkt så langt tilbake til 1920-tallet av en eksentrisk forsker som trodde han hadde oppdaget tyngdekraften - noe som selvfølgelig ikke var tilfelle. På 1960-tallet undersøkte fly- og romfartsingeniører å bruke den til å drive fly, men de konkluderte med at det ikke ville være mulig med forståelsen av ioniske vinder og teknologien tilgjengelig på det tidspunktet.
Nylig har imidlertid et stort antall hobbyfag - og elever på videregående skole som har gjort realfagprosjekter - bygget små elektroaerodynamiske fremdriftsapparater som antydet at det tross alt kunne fungere. Arbeidet deres var sentralt i de første dagene av gruppen min arbeidet. Vi prøvde å forbedre arbeidet deres, spesielt ved å gjennomføre en stor serie eksperimenter for å lære hvordan vi kan optimalisere utformingen av elektroaerodynamiske thrustere.
Å bevege luften, ikke flydelene
Den underliggende fysikken i elektroaerodynamisk fremdrift er relativt grei å forklare og implementere, selv om noe av den underliggende fysikken er sammensatt.
Vi bruker en tynn glødetråd eller ledning som lades til +20 000 volt ved hjelp av en lett kraftomformer, som igjen får sin kraft fra et litium-polymerbatteri. De tynne filamentene kalles emittere, og er nærmere fronten av flyet. Rundt disse emitterne er det elektriske feltet så sterkt at luften blir ionisert - nøytrale nitrogenmolekyler mister et elektron og blir positivt ladede nitrogenioner.
Lenger tilbake på flyet plasserer vi en luftfilter - som en liten vinge - hvis forkant er elektrisk ledende og lades til -20.000 volt av den samme kraftomformeren. Dette kalles samleren. Samleren tiltrekker seg de positive ionene mot den. Når ionene strømmer fra emitteren til samleren, kolliderer de med uladede luftmolekyler, og forårsaker det som kalles en ionisk vind som strømmer mellom emitterne og samlerne, og fremdriver flyet fremover.
Denne ioniske vinden erstatter luftstrømmen som en jetmotor eller propell ville skapt.
Starter i det små
Jeg har ledet forskning som har undersøkt hvordan denne typen fremdrift faktisk fungerer, og utviklet detaljert kunnskap om hvor effektiv og kraftig den kan være.
Teamet mitt og jeg har også jobbet med elektriske ingeniører for å utvikle elektronikken som er nødvendig for å konvertere batteriets ytelse til titusenvis av volt som trengs for å skape en ionisk vind. Teamet var i stand til å produsere en kraftomformer som er langt lettere enn noen tidligere tilgjengelig. Enheten var liten nok til å være praktisk i en flyutforming, som vi til slutt kunne bygge og fly.
Vår første flytur er selvfølgelig veldig lang vei fra flygende mennesker. Vi jobber allerede med å gjøre denne typen fremdrift mer effektiv og i stand til å bære større belastninger. De første kommersielle applikasjonene, forutsatt at det kommer så langt, kan være å lage stille fastvingede droner, inkludert for miljøovervåking og kommunikasjonsplattformer.
Ser vi lenger inn i fremtiden, håper vi at den kan brukes i større fly for å redusere støy og til og med tillate et flys ytre hud å hjelpe til med å produsere skyvekraft, enten i stedet for motorer eller for å styrke deres kraft. Det er også mulig at elektroaerodynamisk utstyr kan miniaturiseres, noe som muliggjør en ny rekke nano-droner. Mange kan tro at disse mulighetene er usannsynlige eller til og med umulige. Men det var det ingeniørene på 1960-tallet tenkte på hva vi allerede gjør i dag.
Denne artikkelen ble opprinnelig publisert på The Conversation.
Steven Barrett, professor i luftfart og astronautikk, Massachusetts Institute of Technology
