Gli ioni prendono il volo
Il progetto finale del team assomiglia a un grande aliante leggero. Il velivolo, che pesa circa 5 libbre e ha un’apertura alare di 5 metri, porta una serie di fili sottili, che sono infilati come una recinzione orizzontale lungo e sotto l’estremità anteriore dell’ala dell’aereo. I fili agiscono come elettrodi caricati positivamente, mentre i fili più spessi disposti in modo simile, che corrono lungo l’estremità posteriore dell’ala dell’aereo, servono come elettrodi negativi.
La fusoliera dell’aereo contiene una pila di batterie ai polimeri di litio. Il team dell’aereo a ioni di Barrett includeva membri del Power Electronics Research Group del professor David Perreault nel Research Laboratory of Electronics, che ha progettato un alimentatore che avrebbe convertito l’uscita delle batterie in una tensione sufficientemente alta per spingere l’aereo. In questo modo, le batterie forniscono elettricità a 40.000 volt per caricare positivamente i fili attraverso un leggero convertitore di potenza.
Una volta che i fili sono eccitati, agiscono per attrarre e togliere gli elettroni caricati negativamente dalle molecole d’aria circostanti, come un magnete gigante che attrae la limatura di ferro. Le molecole d’aria rimaste sono nuovamente ionizzate e sono a loro volta attratte dagli elettrodi caricati negativamente nella parte posteriore dell’aereo.
Come la nuvola di ioni appena formata scorre verso i fili caricati negativamente, ogni ione si scontra milioni di volte con altre molecole d’aria, creando una spinta che spinge l’aereo in avanti.
Filmato indistorto della videocamera dalla planata non alimentata 2, con posizione ed energia dal tracciamento della videocamera annotate. Credit: Steven Barrett
Il team, che comprendeva anche il personale del Lincoln Laboratory Thomas Sebastian e Mark Woolston, ha fatto volare l’aereo in molteplici voli di prova attraverso la palestra del MIT’s duPont Athletic Center – il più grande spazio al coperto che hanno potuto trovare per eseguire i loro esperimenti. Il team ha fatto volare l’aereo per una distanza di 60 metri (la distanza massima all’interno della palestra) e ha scoperto che l’aereo ha prodotto abbastanza spinta ionica per sostenere il volo per tutto il tempo. Hanno ripetuto il volo 10 volte, con prestazioni simili.
Filmati indistorti della telecamera del volo 9, con posizione ed energia dal tracciamento della telecamera annotati. Ingrandito di 2 volte. Credit: Steven Barrett
“Questo era l’aereo più semplice possibile che potevamo progettare per provare il concetto che un aereo a ioni potesse volare”, dice Barrett. “È ancora lontano da un aereo che potrebbe svolgere una missione utile. Ha bisogno di essere più efficiente, volare più a lungo e volare all’esterno.”
Il nuovo design è un “grande passo” verso la dimostrazione della fattibilità della propulsione eolica ionica, secondo Franck Plouraboue, ricercatore senior presso l’Istituto di meccanica dei fluidi di Tolosa, in Francia, che osserva che i ricercatori in precedenza non erano in grado di far volare qualcosa di più pesante di pochi grammi.
“La forza dei risultati è una prova diretta che il volo stabile di un drone con vento ionico è sostenibile”, dice Plouraboue, che non era coinvolto nella ricerca. “, è difficile dedurre quanto potrebbe influenzare la propulsione degli aerei in futuro. Tuttavia, questa non è davvero una debolezza, ma piuttosto un’apertura per il progresso futuro, in un campo che ora sta per scoppiare.”
Il team di Barrett sta lavorando per aumentare l’efficienza del loro design, per produrre più vento ionico con meno tensione. I ricercatori sperano anche di aumentare la densità di spinta del progetto – la quantità di spinta generata per unità di superficie. Attualmente, il volo dell’aereo leggero del team richiede una grande area di elettrodi, che essenzialmente costituisce il sistema di propulsione dell’aereo. Idealmente, Barrett vorrebbe progettare un aereo senza sistema di propulsione visibile o superfici di controllo separate come timoni ed elevatori.
“Ci è voluto molto tempo per arrivare qui”, dice Barrett. “Passare dal principio di base a qualcosa che effettivamente vola è stato un lungo viaggio per caratterizzare la fisica, poi arrivare al design e farlo funzionare. Ora le possibilità per questo tipo di sistema di propulsione sono realizzabili.”
Questa ricerca è stata supportata, in parte, dal MIT Lincoln Laboratory Autonomous Systems Line, dal Professor Amar G. Bose Research Grant e dalla Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART). Il lavoro è stato anche finanziato attraverso le cattedre di sviluppo della carriera Charles Stark Draper e Leonardo al MIT.
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