Ionen nemen vlucht
Het uiteindelijke ontwerp van het team lijkt op een groot, lichtgewicht zweefvliegtuig. Het vliegtuig, dat ongeveer 5 pond weegt en een spanwijdte van 5 meter heeft, draagt een reeks dunne draden, die als horizontale afrasteringen langs en onder het vooreind van de vleugel van het vliegtuig worden geregen. De draden fungeren als positief geladen elektroden, terwijl vergelijkbaar gerangschikte dikkere draden, die langs het achtereinde van de vleugel van het vliegtuig lopen, dienen als negatieve elektroden.
De romp van het vliegtuig bevat een stapel lithium-polymeerbatterijen. Barrett’s ion vliegtuig team omvatte leden van professor David Perreault’s Power Electronics Research Group in het Research Laboratory of Electronics, die een stroomvoorziening ontwierpen die de output van de batterijen zou omzetten in een voldoende hoge spanning om het vliegtuig voort te stuwen. Op deze manier leveren de batterijen elektriciteit van 40.000 volt om de draden positief op te laden via een lichtgewicht stroomconvertor.
Zodra de draden van energie zijn voorzien, werken zij om negatief geladen elektronen van de omringende luchtmoleculen aan te trekken en weg te strepen, zoals een reusachtige magneet ijzervijlsel aantrekt. De achtergebleven luchtmoleculen worden nieuw geïoniseerd, en worden op hun beurt aangetrokken tot de negatief geladen elektroden aan de achterkant van het vliegtuig.
Als de nieuw gevormde ionenwolk naar de negatief geladen draden stroomt, botst elk ion miljoenen keren met andere luchtmoleculen, waardoor een stuwkracht ontstaat die het vliegtuig voortstuwt.
Verstoorde camerabeelden van zweefvliegtuig 2 zonder aandrijving, met positie en energie van cameratracking geannoteerd. Credit: Steven Barrett
Het team, waarvan ook Lincoln Laboratory-medewerkers Thomas Sebastian en Mark Woolston deel uitmaakten, vloog het vliegtuig in meerdere testvluchten over de sportzaal in MIT’s duPont Athletic Center – de grootste overdekte ruimte die ze konden vinden om hun experimenten uit te voeren. Het team vloog met het vliegtuig over een afstand van 60 meter (de maximale afstand in de sportzaal) en ontdekte dat het vliegtuig voldoende ionische stuwkracht produceerde om de vlucht de hele tijd vol te houden. Ze herhaalden de vlucht 10 keer, met vergelijkbare prestaties.
Verstoorde camerabeelden van vlucht 9, met positie en energie van cameratracking geannoteerd. 2x versneld. Credit: Steven Barrett
“Dit was het eenvoudigst mogelijke vliegtuig dat we konden ontwerpen en dat het concept kon bewijzen dat een ionenvliegtuig kon vliegen,” zegt Barrett. “Het is nog ver verwijderd van een vliegtuig dat een nuttige missie kan uitvoeren. Het moet efficiënter zijn, langer vliegen en buiten vliegen.”
Het nieuwe ontwerp is een “grote stap” in de richting van het aantonen van de haalbaarheid van ionenwindaandrijving, volgens Franck Plouraboue, senior onderzoeker aan het Institute of Fluid Mechanics in Toulouse, Frankrijk, die opmerkt dat onderzoekers eerder niet in staat waren om iets zwaarder dan een paar gram te laten vliegen.
“De kracht van de resultaten is een direct bewijs dat gestage vlucht van een drone met ionische wind duurzaam is,” zegt Plouraboue, die niet bij het onderzoek betrokken was. “, is het moeilijk af te leiden in hoeverre het in de toekomst de voortstuwing van vliegtuigen zou kunnen beïnvloeden. Toch is dit niet echt een zwakte, maar eerder een opening voor toekomstige vooruitgang, op een gebied dat nu gaat barsten.”
Barrett’s team werkt aan het verhogen van de efficiëntie van hun ontwerp, om meer ionische wind te produceren met minder spanning. De onderzoekers hopen ook de stuwkrachtdichtheid van het ontwerp te vergroten – de hoeveelheid stuwkracht die per oppervlakte-eenheid wordt gegenereerd. Momenteel vereist het vliegen van het lichtgewicht vliegtuig van het team een groot oppervlak van elektroden, die in wezen het aandrijfsysteem van het vliegtuig vormen. Idealiter zou Barrett een vliegtuig willen ontwerpen zonder zichtbaar voortstuwingssysteem of afzonderlijke besturingsoppervlakken zoals roeren en liften.
“Het heeft lang geduurd om hier te komen,” zegt Barrett. “Van het basisprincipe naar iets dat echt vliegt was een lange reis van het karakteriseren van de fysica, dan het ontwerp bedenken en het laten werken. Nu zijn de mogelijkheden voor dit soort voortstuwingssysteem levensvatbaar.”
Dit onderzoek werd gedeeltelijk ondersteund door MIT Lincoln Laboratory Autonomous Systems Line, de Professor Amar G. Bose Research Grant, en de Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART). Het werk werd ook gefinancierd door de Charles Stark Draper en Leonardo loopbaanontwikkelingsstoelen bij MIT.