Da quando il primo aereo ha preso il volo più di 100 anni fa, praticamente ogni aereo nel cielo ha volato con l'aiuto di parti mobili come eliche, lame a turbina, e fan, alimentati dalla combustione di combustibili fossili o da pacchi batterie che producono un persistente, ronzio lamentoso.

Ora gli ingegneri del MIT hanno costruito e pilotato il primo aereo in assoluto senza parti mobili. Invece di eliche o turbine, l'aereo leggero è alimentato da un "vento ionico", un flusso silenzioso ma potente di ioni che viene prodotto a bordo dell'aereo, e che genera una spinta sufficiente per spingere l'aereo su un sostenuto, volo costante.

A differenza degli aerei a turbina, l'aereo non dipende dai combustibili fossili per volare. E a differenza dei droni a elica, il nuovo design è completamente silenzioso.

"Questo è il primo volo sostenuto di un aereo senza parti mobili nel sistema di propulsione, "dice Steven Barrett, professore associato di aeronautica e astronautica al MIT. "Questo ha potenzialmente aperto possibilità nuove e inesplorate per velivoli più silenziosi, meccanicamente più semplice, e non emettono emissioni di combustione."

Si aspetta che nel breve termine, tali sistemi di propulsione eolica ionica potrebbero essere utilizzati per pilotare droni meno rumorosi. Più lontano, immagina la propulsione ionica abbinata a sistemi di combustione più convenzionali per creare una maggiore efficienza del carburante, aerei passeggeri ibridi e altri velivoli di grandi dimensioni.

Barrett e il suo team al MIT hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Natura .

Lavoretti per hobby

Barrett afferma che l'ispirazione per il piano ionico della squadra proviene in parte dal film e dalla serie televisiva, "Star Trek, " che osservava avidamente da bambino. Era particolarmente attratto dalle navette futuristiche che sfrecciavano senza sforzo nell'aria, apparentemente senza parti in movimento e quasi nessun rumore o scarico.

"Questo mi ha fatto pensare, in un futuro a lungo termine, gli aerei non dovrebbero avere eliche e turbine, "Dice Barrett. "Dovrebbero essere più simili alle navette di Star Trek, ' che hanno solo un bagliore blu e scivolano silenziosamente."

Circa nove anni fa, Barrett ha iniziato a cercare modi per progettare un sistema di propulsione per aerei senza parti mobili. Alla fine si imbatté in "vento ionico, "noto anche come spinta elettroaerodinamica, un principio fisico identificato per la prima volta negli anni '20 e che descrive un vento, o spinta, che può essere prodotto quando viene fatta passare una corrente tra un elettrodo sottile e uno spesso. Se viene applicata una tensione sufficiente, l'aria tra gli elettrodi può produrre una spinta sufficiente per spingere un piccolo aereo.

Per anni, spinta elettroaerodinamica è stato per lo più un progetto di hobbisti, e i disegni sono stati per la maggior parte limitati a piccoli, "sollevatori" da tavolo collegati a grandi alimentatori di tensione che creano vento appena sufficiente per consentire a una piccola imbarcazione di librarsi brevemente in aria. Si presumeva in gran parte che sarebbe stato impossibile produrre abbastanza vento ionico per spingere un aereo più grande su un volo sostenuto.

"E 'stata una notte insonne in un hotel quando ho avuto il jet lag, e stavo pensando a questo e ho iniziato a cercare modi per farlo, " ricorda. "Ho fatto alcuni calcoli alla base della busta e ho scoperto che, sì, potrebbe diventare un valido sistema di propulsione, " Dice Barrett. "E si è scoperto che ci sono voluti molti anni di lavoro per passare da quello a un primo volo di prova".

Gli ioni prendono il volo

Il design finale del team ricorda un grande, aliante leggero. L'aereo, che pesa circa 5 chili e ha un'apertura alare di 5 metri, porta una serie di fili sottili, che sono infilate come una recinzione orizzontale lungo e sotto l'estremità anteriore dell'ala dell'aereo. I fili agiscono come elettrodi caricati positivamente, mentre fili più spessi similmente disposti, correndo lungo la parte posteriore dell'ala dell'aereo, fungono da elettrodi negativi.

La fusoliera dell'aereo contiene una pila di batterie ai polimeri di litio. Il team del piano ionico di Barrett includeva membri del gruppo di ricerca sull'elettronica di potenza del professor David Perreault nel laboratorio di ricerca di elettronica, che progettò un alimentatore che convertisse 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 cavi tramite un convertitore di potenza leggero.

Una volta alimentati i fili, agiscono per attrarre e strappare elettroni carichi negativamente dalle molecole d'aria circostanti, come una calamita gigante che attira la limatura di ferro. Le molecole d'aria che vengono lasciate indietro vengono nuovamente ionizzate, e sono a loro volta attratti dagli elettrodi caricati negativamente sul retro del piano.

Mentre la nube 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.

Il gruppo, che comprendeva anche lo staff del Lincoln Laboratory Thomas Sebastian e Mark Woolston, ha pilotato l'aereo in più voli di prova attraverso la palestra del duPont Athletic Center del MIT, il più grande spazio al coperto che potevano trovare per eseguire i loro esperimenti. Il team ha pilotato l'aereo per una distanza di 60 metri (la distanza massima all'interno della palestra) e ha scoperto che l'aereo ha prodotto una spinta ionica sufficiente per sostenere il volo per tutto il tempo. Hanno ripetuto il volo 10 volte, con prestazioni simili.

"Questo era l'aereo più semplice possibile che potessimo progettare in grado di dimostrare il concetto che un aereo ionico potesse volare, " Barrett dice. "E 'ancora un po' distante da un aereo che potrebbe svolgere una missione utile. Deve essere più efficiente, volare più a lungo, e vola fuori."

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 area. Attualmente, far volare l'aereo leggero della squadra richiede una vasta area di elettrodi, che costituisce essenzialmente il sistema di propulsione dell'aereo. Idealmente, Barrett vorrebbe progettare un aereo senza sistema di propulsione visibile o superfici di controllo separate come timoni e ascensori.

"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 di caratterizzazione della fisica, poi escogitare il design e farlo funzionare. Ora le possibilità per questo tipo di sistema di propulsione sono praticabili".