Ionty vzlétají
Konečný návrh týmu připomíná velký, lehký kluzák. Letadlo, které váží asi 5 kg a má pětimetrové rozpětí křídel, nese soustavu tenkých drátů, které jsou navlečeny jako vodorovné oplocení podél a pod přední částí křídla letadla. Tyto dráty fungují jako kladně nabité elektrody, zatímco podobně uspořádané silnější dráty, které vedou podél zadního konce křídla letadla, slouží jako záporné elektrody.
V trupu letadla je uložena hromada lithium-polymerových baterií. Barrettův tým iontového letadla zahrnoval členy výzkumné skupiny výkonové elektroniky profesora Davida Perreaulta ve Výzkumné laboratoři elektroniky, kteří navrhli napájecí zdroj, jenž by přeměnil výstup z baterií na dostatečně vysoké napětí pro pohon letadla. Baterie tak dodávají elektrickou energii o napětí 40 000 voltů, která kladně nabíjí dráty prostřednictvím lehkého měniče energie.
Jakmile jsou dráty pod napětím, působí tak, že přitahují a strhávají záporně nabité elektrony z okolních molekul vzduchu, podobně jako obří magnet přitahuje železné piliny. Zbylé molekuly vzduchu se nově ionizují a jsou zase přitahovány k záporně nabitým elektrodám v zadní části letadla.
Jak nově vzniklý oblak iontů proudí směrem k záporně nabitým drátům, každý iont se milionkrát srazí s ostatními molekulami vzduchu a vytvoří tah, který pohání letadlo vpřed.
Nezkreslený záznam kamery z klouzání bez pohonu 2 s poznámkami o poloze a energii ze sledování kamery. Kredit: Steven Barrett
Tým, jehož členy byli také pracovníci Lincolnovy laboratoře Thomas Sebastian a Mark Woolston, provedl s letadlem několik zkušebních letů přes tělocvičnu v duPont Athletic Center na MIT – největší krytý prostor, který mohli pro své experimenty najít. Tým letěl s letadlem na vzdálenost 60 metrů (maximální vzdálenost v tělocvičně) a zjistil, že letadlo vytváří dostatečný iontový tah, aby udrželo let po celou dobu. Let zopakovali desetkrát s podobným výkonem.
Zkreslený záznam z kamery z letu 9 s poznámkami o poloze a energii ze sledování kamery. Zrychleno 2x. Kredit: Steven Barrett
„Bylo to nejjednodušší možné letadlo, které jsme mohli navrhnout a které mohlo prokázat koncept, že iontové letadlo může létat,“ říká Barrett. „K letadlu, které by mohlo plnit užitečné mise, to má ještě daleko. Musí být účinnější, létat déle a létat venku.“
Nová konstrukce je „velkým krokem“ k prokázání proveditelnosti iontového větrného pohonu, tvrdí Franck Plouraboue, vedoucí výzkumný pracovník Ústavu mechaniky tekutin ve francouzském Toulouse, který poznamenává, že výzkumníci dříve nebyli schopni létat s ničím těžším než několik gramů.
„Síla výsledků je přímým důkazem, že stabilní let dronu s iontovým větrem je udržitelný,“ říká Plouraboue, který se na výzkumu nepodílel. „, je však těžké odvodit, jak moc by to mohlo ovlivnit pohon letadel v budoucnu. Nicméně ve skutečnosti nejde o slabinu, ale spíše o otevření cesty k budoucímu pokroku v oblasti, která se nyní chystá k rozkvětu.“
Barrettův tým pracuje na zvýšení účinnosti své konstrukce, aby produkoval více iontového větru při menším napětí. Výzkumníci také doufají, že se jim podaří zvýšit hustotu tahu konstrukce – množství tahu generovaného na jednotku plochy. V současné době vyžaduje létání s lehkým letadlem týmu velkou plochu elektrod, které v podstatě tvoří pohonný systém letadla. V ideálním případě by Barrett chtěl navrhnout letadlo bez viditelného pohonného systému nebo samostatných řídicích ploch, jako jsou kormidla a výškovky.
„Trvalo dlouho, než jsme se dostali až sem,“ říká Barrett. „Od základního principu k něčemu, co skutečně létá, byla dlouhá cesta charakterizování fyziky, pak vymýšlení konstrukce a jejího zprovoznění. Nyní jsou možnosti tohoto druhu pohonného systému reálné.“
Tento výzkum byl částečně podpořen linií MIT Lincoln Laboratory Autonomous Systems Line, výzkumným grantem profesora Amara G. Boseho a Singapursko-MIT Aliancí pro výzkum a technologie (SMART). Práce byla rovněž financována prostřednictvím kateder Charlese Starka Drapera a Leonarda pro rozvoj kariéry na MIT.