Ionen fliegen
Das endgültige Design des Teams ähnelt einem großen, leichten Segelflugzeug. Das Flugzeug, das etwa 5 Pfund wiegt und eine Spannweite von 5 Metern hat, trägt eine Reihe von dünnen Drähten, die wie ein horizontaler Zaun entlang und unter dem vorderen Ende der Tragfläche des Flugzeugs aufgereiht sind. Die Drähte fungieren als positiv geladene Elektroden, während ähnlich angeordnete dickere Drähte, die am hinteren Ende der Tragfläche verlaufen, als negative Elektroden dienen.
Im Rumpf des Flugzeugs befindet sich ein Stapel von Lithium-Polymer-Batterien. Zu Barretts Ionenflugzeug-Team gehörten auch Mitglieder der Forschungsgruppe für Leistungselektronik von Professor David Perreault im Forschungslabor für Elektronik, die eine Stromversorgung entwickelten, die die Leistung der Batterien in eine ausreichend hohe Spannung umwandelt, um das Flugzeug anzutreiben. Auf diese Weise liefern die Batterien Strom mit einer Spannung von 40.000 Volt, um die Drähte über einen leichten Stromrichter positiv aufzuladen.
Sobald die Drähte unter Strom stehen, ziehen sie negativ geladene Elektronen aus den umgebenden Luftmolekülen an und ziehen sie ab, wie ein riesiger Magnet Eisenspäne anzieht. Die zurückbleibenden Luftmoleküle sind neu ionisiert und werden wiederum von den negativ geladenen Elektroden am Heck des Flugzeugs angezogen.
Wenn die neu gebildete Ionenwolke zu den negativ geladenen Drähten strömt, kollidiert jedes Ion millionenfach mit anderen Luftmolekülen und erzeugt so einen Schub, der das Flugzeug vorwärts treibt.
Verzerrte Kameraaufnahmen vom unmotorisierten Gleitflug 2, mit Position und Energie aus der Kameraverfolgung kommentiert. Credit: Steven Barrett
Das Team, zu dem auch die Mitarbeiter des Lincoln Laboratory, Thomas Sebastian und Mark Woolston, gehörten, flog das Flugzeug in mehreren Testflügen über die Sporthalle im duPont Athletic Center des MIT – dem größten überdachten Raum, den sie für ihre Experimente finden konnten. Das Team flog das Flugzeug über eine Entfernung von 60 Metern (die maximale Entfernung in der Sporthalle) und stellte fest, dass das Flugzeug genug Ionenschub erzeugte, um den Flug die ganze Zeit aufrechtzuerhalten. Sie wiederholten den Flug 10 Mal, mit ähnlicher Leistung.
Verzerrte Kameraaufnahmen von Flug 9, mit Position und Energie aus der Kameraverfolgung kommentiert. 2x vergrößert. Credit: Steven Barrett
„Dies war das einfachste Flugzeug, das wir entwerfen konnten, um das Konzept zu beweisen, dass ein Ionenflugzeug fliegen kann“, sagt Barrett. „Es ist noch weit entfernt von einem Flugzeug, das eine nützliche Mission erfüllen könnte. Es muss effizienter sein, länger fliegen und im Freien fliegen“
Das neue Design ist ein „großer Schritt“ hin zum Nachweis der Machbarkeit des Ionenwindantriebs, so Franck Plouraboue, leitender Forscher am Institut für Strömungsmechanik in Toulouse, Frankreich, der anmerkt, dass die Forscher bisher nicht in der Lage waren, etwas zu fliegen, das schwerer als ein paar Gramm ist.
„Die Stärke der Ergebnisse ist ein direkter Beweis dafür, dass der gleichmäßige Flug einer Drohne mit Ionenwind nachhaltig ist“, sagt Plouraboue, der nicht an der Forschung beteiligt war. „Allerdings ist es schwierig abzuschätzen, inwieweit dies den Antrieb von Flugzeugen in Zukunft beeinflussen könnte. Dennoch ist dies keine wirkliche Schwäche, sondern eher eine Chance für künftige Fortschritte in einem Bereich, der gerade im Begriff ist, zu explodieren.“
Barretts Team arbeitet daran, die Effizienz ihrer Konstruktion zu erhöhen, um mehr ionischen Wind mit weniger Spannung zu erzeugen. Die Forscher hoffen auch, die Schubdichte des Entwurfs zu erhöhen – die Menge des pro Flächeneinheit erzeugten Schubs. Derzeit ist für das Fliegen des leichten Flugzeugs des Teams eine große Fläche von Elektroden erforderlich, die im Wesentlichen das Antriebssystem des Flugzeugs bilden. Im Idealfall würde Barrett gerne ein Flugzeug ohne sichtbares Antriebssystem oder separate Steuerflächen wie Ruder und Höhenruder entwerfen.
„Es hat lange gedauert, bis wir so weit waren“, sagt Barrett. „Vom Grundprinzip zu etwas, das tatsächlich fliegt, war es ein langer Weg, die Physik zu charakterisieren, dann das Design zu entwickeln und es zum Laufen zu bringen. Jetzt sind die Möglichkeiten für diese Art von Antriebssystem realisierbar.“
Diese Forschung wurde zum Teil von der MIT Lincoln Laboratory Autonomous Systems Line, dem Professor Amar G. Bose Research Grant und der Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART) unterstützt. Die Arbeit wurde auch durch die Charles Stark Draper und Leonardo Career Development Chairs am MIT finanziert.