Ioner flyger
Teamets slutgiltiga design liknar en stor, lättviktig glidare. Flygplanet, som väger cirka 5 pund och har ett vingspann på 5 meter, bär på en rad tunna trådar, som är uppspända som ett horisontellt stängsel längs med och under den främre delen av planets vinge. Trådarna fungerar som positivt laddade elektroder, medan liknande tjockare trådar, som löper längs den bakre delen av planets vinge, fungerar som negativa elektroder.
Flygplanets skrov rymmer en stapel litiumpolymerbatterier. I Barretts team för jonplanet ingick medlemmar av professor David Perreaults forskningsgrupp för kraftelektronik vid forskningslaboratoriet för elektronik, som utformade en strömförsörjning som skulle omvandla batteriernas effekt till en tillräckligt hög spänning för att driva planet. På detta sätt levererar batterierna elektricitet på 40 000 volt för att positivt ladda trådarna via en lättviktsströmomvandlare.
När trådarna har fått energi verkar de för att attrahera och avlägsna negativt laddade elektroner från de omgivande luftmolekylerna, likt en jättemagnet som drar till sig järnfilspåner. De luftmolekyler som lämnas kvar blir nyjoniserade och dras i sin tur till de negativt laddade elektroderna på baksidan av planet.
När det nybildade molnet av joner strömmar mot de negativt laddade trådarna kolliderar varje jon miljontals gånger med andra luftmolekyler, vilket skapar en dragkraft som driver flygplanet framåt.
Oförvrängt kameramaterial från okraftsstyrd glidflygning 2, med position och energi från kameraspårning kommenterat. Credit: Steven Barrett
Teamet, som även inkluderade Thomas Sebastian och Mark Woolston från Lincoln Laboratory, flög planet i flera testflygningar över gymnastiksalen i MIT:s duPont Athletic Center – det största inomhusutrymme de kunde hitta för att utföra sina experiment. Teamet flög planet en sträcka på 60 meter (det maximala avståndet i gymmet) och fann att planet producerade tillräckligt med jonisk dragkraft för att upprätthålla flygningen hela tiden. De upprepade flygningen 10 gånger, med liknande resultat.
Oförvrängt kameramaterial från flygning 9, med position och energi från kameraspårning kommenterade. Spedas upp 2 gånger. Credit: Steven Barrett
”Detta var det enklaste möjliga plan vi kunde konstruera som kunde bevisa konceptet att ett jonflygplan kan flyga”, säger Barrett. ”Det är fortfarande en bit ifrån ett flygplan som skulle kunna utföra ett användbart uppdrag. Det måste vara effektivare, flyga längre och flyga utomhus.”
Den nya konstruktionen är ett ”stort steg” mot att visa på genomförbarheten av jonvinddrift, enligt Franck Plouraboue, senior forskare vid Institutet för strömningsmekanik i Toulouse, Frankrike, som påpekar att forskarna tidigare inte kunde flyga något som var tyngre än några gram.
”Styrkan i resultaten är ett direkt bevis på att stadig flygning av en drönare med jonisk vind är hållbar”, säger Plouraboue, som inte var involverad i forskningen. ”, är det svårt att härleda hur mycket det skulle kunna påverka flygplansframdrivning i framtiden. Ändå är detta egentligen inte en svaghet utan snarare en öppning för framtida framsteg, på ett område som nu kommer att brista.”
Barretts team arbetar på att öka effektiviteten i sin konstruktion, för att producera mer jonisk vind med mindre spänning. Forskarna hoppas också kunna öka konstruktionens dragkraftstäthet – den mängd dragkraft som genereras per ytenhet. För närvarande krävs det en stor yta av elektroder för att flyga lagets lättviktsplan, vilket i huvudsak utgör planets framdrivningssystem. Helst skulle Barrett vilja konstruera ett flygplan utan synligt framdrivningssystem eller separata kontrollytor som roder och höjdroddar.
”Det tog lång tid att komma hit”, säger Barrett. ”Att gå från den grundläggande principen till något som faktiskt flyger var en lång resa för att karakterisera fysiken, sedan komma fram till konstruktionen och få den att fungera. Nu är möjligheterna för den här typen av framdrivningssystem genomförbara.”
Denna forskning stöddes delvis av MIT Lincoln Laboratory Autonomous Systems Line, professor Amar G. Bose Research Grant och Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART). Arbetet finansierades också genom Charles Stark Draper- och Leonardo-karriärutvecklingsstolarna vid MIT.