Ingenieros vuelan el primer avión sin partes móviles

En lugar de hélices o turbinas, la avioneta es impulsada por un “viento iónico”, un flujo silencioso pero poderoso de iones que se produce a bordo del avión y que genera suficiente empuje para impulsar el avión en un vuelo sostenido y constante.

Las baterías en el fuselaje (compartimiento marrón frente al plano) suministran voltaje a los electrodos (líneas horizontales azules / blancas) tendidas a lo largo del plano, generando un viento de iones que impulsa el plano hacia adelante.

Desde que el primer avión tomó vuelo hace más de 100 años, prácticamente todos los aviones en el cielo han volado con la ayuda de piezas móviles como hélices, álabes de turbinas y ventiladores, que funcionan con la combustión de combustibles fósiles o con paquetes de baterías que producen un zumbido persistente.

A diferencia de los aviones propulsados ​​por turbinas, este avión no depende de los combustibles fósiles para volar. Y a diferencia de los drones propulsados ​​por hélice, el nuevo diseño es completamente silencioso.

"Este es el primer vuelo sostenido de un avión sin partes móviles en el sistema de propulsión. Esto potencialmente ha abierto nuevas e inexploradas posibilidades para las aeronaves que son más silenciosas, mecánicamente más simples y no emiten emisiones de combustión", dice Steven Barrett, profesor asociado de aeronáutica y astronáutica en el MIT.

Barrett espera que en el corto plazo, tales sistemas de propulsión de viento iónico se puedan usar para volar drones menos ruidosos. Además, prevé la propulsión iónica junto con sistemas de combustión más convencionales para crear aviones de pasajeros híbridos más eficientes en combustible y otras aeronaves grandes.

La inspiración para el avión iónico del equipo proviene, en parte, de la serie de películas y televisión Star Trek que él veía con avidez cuando era niño. Se sintió especialmente atraído por los lanzaderas futuristas que se movían sin esfuerzo por el aire, aparentemente sin partes móviles y casi sin ruido ni escape.

"Esto me hizo pensar que, en el futuro a largo plazo, los aviones no deberían tener hélices y turbinas. Deberían ser más como las lanzaderas en Star Trek que tienen solo un brillo azul y se deslizan en silencio", dice Barrett.

Hace unos nueve años, Barrett comenzó a buscar formas de diseñar un sistema de propulsión para aviones sin partes móviles. Finalmente se encontró con el "viento iónico", también conocido como empuje electroaerodinámico, un principio físico que se identificó por primera vez en la década de 1920 y describe un viento, o empuje que puede producirse cuando se pasa una corriente entre un electrodo delgado y uno grueso.

Si se aplica suficiente voltaje, el aire entre los electrodos puede producir suficiente empuje para impulsar un avión pequeño.

Durante años, el empuje electroaerodinámico ha sido principalmente el proyecto de un aficionado, y los diseños en su mayor parte se han limitado a "elevadores" de escritorio pequeños atados a grandes suministros de voltaje que crean el viento suficiente para que una pequeña embarcación pueda volar brevemente en el aire. Se asumió en gran parte que sería imposible producir suficiente viento iónico para impulsar un avión más grande en un vuelo sostenido.

Iones que toman vuelo

El diseño final del equipo se parece a un planeador grande y liviano. El avión, que pesa alrededor de 5 libras y tiene una envergadura de 5 metros, lleva una serie de alambres delgados, que están colgados como cercas horizontales a lo largo y debajo del extremo delantero del ala del avión. Los cables actúan como electrodos cargados positivamente, mientras que los cables más gruesos, dispuestos de manera similar, se extienden a lo largo del extremo posterior del ala del avión y sirven como electrodos negativos.

El fuselaje del avión tiene una pila de baterías de polímero de litio. El equipo de avión de iones de Barrett incluyó a miembros del Grupo de Investigación de Electrónica de Potencia del Profesor David Perreault en el Laboratorio de Investigación de Electrónica, quien diseñó una fuente de alimentación que convertiría la salida de las baterías a un voltaje suficientemente alto para impulsar el avión. De esta manera, las baterías suministran electricidad a 40.000 voltios para cargar positivamente los cables a través de un convertidor de potencia liviano.

Una vez que los cables están energizados, actúan para atraer y quitar los electrones cargados negativamente de las moléculas de aire circundantes, como un imán gigante que atrae limaduras de hierro. Las moléculas de aire que quedan atrás son recientemente ionizadas y, a su vez, atraídas por los electrodos cargados negativamente en la parte posterior del avión.

A medida que la nube de iones recién formada fluye hacia los cables cargados negativamente, cada ión choca millones de veces con otras moléculas de aire, creando un empuje que impulsa el avión hacia adelante.

El equipo de Barrett está trabajando para aumentar la eficiencia de su diseño para producir más viento iónico con menos voltaje. Los investigadores también esperan aumentar la densidad de empuje del diseño, la cantidad de empuje generada por unidad de área. Actualmente, volar el avión ligero del equipo requiere una gran área de electrodos, que esencialmente conforma el sistema de propulsión del avión. Idealmente, a Barrett le gustaría diseñar un avión sin sistema de propulsión visible o con superficies de control separadas, como timones y ascensores.

Esta investigación fue apoyada, en parte, por la Línea de Sistemas Autónomos del Laboratorio Lincoln de MIT, la Beca de Investigación Profesor Amar G. Bose y la Alianza de Investigación y Tecnología Singapur-MIT (SMART). El trabajo también se financió a través de los directores de desarrollo profesional Charles Stark Draper y Leonardo en el MIT.

Barrett y su equipo en MIT han publicado sus resultados en la revista Nature.   @mundiario