Los iones alzan el vuelo
El diseño final del equipo se asemeja a un planeador grande y ligero. La aeronave, que pesa unos 1,5 kilos y tiene una envergadura de 5 metros, lleva un conjunto de cables finos, que están ensartados como una valla horizontal a lo largo y debajo del extremo delantero del ala del avión. Los cables actúan como electrodos con carga positiva, mientras que los cables más gruesos dispuestos de forma similar, que corren a lo largo del extremo posterior del ala del avión, sirven como electrodos negativos.
El fuselaje del avión contiene una pila de baterías de polímero de litio. El equipo del avión iónico de Barrett incluyó a miembros del Grupo de Investigación de Electrónica de Potencia del Profesor David Perreault en el Laboratorio de Investigación de Electrónica, que diseñó una fuente de alimentación que convertiría la salida de las baterías en un voltaje lo suficientemente alto como para propulsar el avión. De este modo, las baterías suministran electricidad a 40.000 voltios para cargar positivamente los cables a través de un ligero convertidor de potencia.
Una vez que los cables reciben energía, actúan para atraer y despojar de electrones cargados negativamente a las moléculas de aire circundantes, como un imán gigante que atrae limaduras de hierro. Las moléculas de aire que quedan atrás se ionizan de nuevo y son atraídas a su vez por los electrodos cargados negativamente en la parte trasera del avión.
A medida que la nube de iones recién formada fluye hacia los cables cargados negativamente, cada ion choca millones de veces con otras moléculas de aire, creando un empuje que propulsa el avión hacia adelante.
Grabación de la cámara no distorsionada del planeo 2 sin motor, con la posición y la energía del seguimiento de la cámara anotadas. Crédito: Steven Barrett
El equipo, que también incluía al personal del Laboratorio Lincoln Thomas Sebastian y Mark Woolston, hizo volar el avión en múltiples vuelos de prueba por el gimnasio del Centro Atlético duPont del MIT, el mayor espacio interior que pudieron encontrar para realizar sus experimentos. El equipo voló el avión una distancia de 60 metros (la distancia máxima dentro del gimnasio) y descubrió que el avión producía suficiente empuje iónico para mantener el vuelo todo el tiempo. Repitieron el vuelo 10 veces, con un rendimiento similar.
Grabación de la cámara no distorsionada del vuelo 9, con la posición y la energía del seguimiento de la cámara anotadas. Acelerado 2 veces. Crédito: Steven Barrett
«Este era el avión más sencillo que podíamos diseñar para demostrar el concepto de que un avión iónico podía volar», dice Barrett. «Todavía está muy lejos de ser un avión que pueda realizar una misión útil. Tiene que ser más eficiente, volar durante más tiempo y volar en el exterior».
El nuevo diseño es un «gran paso» hacia la demostración de la viabilidad de la propulsión eólica iónica, según Franck Plouraboue, investigador principal del Instituto de Mecánica de Fluidos de Toulouse (Francia), que señala que los investigadores no fueron capaces anteriormente de hacer volar nada más pesado que unos pocos gramos.
«La solidez de los resultados es una prueba directa de que el vuelo estable de un dron con viento iónico es sostenible», dice Plouraboue, que no participó en la investigación. «Es difícil deducir hasta qué punto podría influir en la propulsión de los aviones en el futuro. Sin embargo, esto no es realmente una debilidad, sino más bien una apertura para futuros avances, en un campo que ahora va a estallar».
El equipo de Barrett está trabajando en aumentar la eficiencia de su diseño, para producir más viento iónico con menos voltaje. Los investigadores también esperan aumentar la densidad de empuje del diseño, es decir, la cantidad de empuje generada por unidad de superficie. En la actualidad, para hacer volar el avión ligero del equipo se necesita una gran superficie de electrodos, que constituyen básicamente el sistema de propulsión del avión. Lo ideal sería que Barrett diseñara un avión sin sistema de propulsión visible ni superficies de control separadas, como timones y elevadores.
«Ha costado mucho tiempo llegar hasta aquí», dice Barrett. «Pasar del principio básico a algo que realmente vuela fue un largo viaje de caracterización de la física, para luego llegar al diseño y hacerlo funcionar. Ahora las posibilidades de este tipo de sistema de propulsión son viables».
Esta investigación ha contado con el apoyo, en parte, de la Línea de Sistemas Autónomos del Laboratorio Lincoln del MIT, la beca de investigación Professor Amar G. Bose y la Alianza Singapur-MIT para la Investigación y la Tecnología (SMART). El trabajo también fue financiado a través de las cátedras de desarrollo profesional Charles Stark Draper y Leonardo del MIT.