Samolot bez ruchomych części napędzających? Jonowy wiatr w uszach
Zamiast ruchomych śmigieł czy turbin lekki samolot napędzany jest ciągiem strumienia jonów, który jest wytwarzany na pokładzie samolotu. Zdaniem konstruktorów moc takiego rozwiązania może pozwolić na długotrwały lot ze stałą prędkością dronów a nawet lekkich samolotów pasażerskich. W przeciwieństwie do samolotów z napędem turbinowym samolot nie jest uzależniony od paliw kopalnych. A także, w przeciwieństwie do dronów napędzanych śmigłem, nowa konstrukcja jest całkowicie bezgłośna.
Steven Barrett (2), profesor aeronautyki i astronautyki na MIT, który kierował zespołem twórców latającej maszyny nowego typu, snuje w wypowiedziach dla mediów bardziej ambitne plany. Jego zdaniem, napęd jonowy w połączeniu z konwencjonalnymi systemami spalinowymi pozwoli na stworzenie paliwooszczędnych, hybrydowych samolotów pasażerskich i innych dużych statków powietrznych. Opis konstrukcji i badań zespołu Barretta ukazał się w czasopiśmie "Nature".
Ciąg pomiędzy elektrodami
Około dziewięciu lat temu Barrett zaczął szukać sposobów na zaprojektowanie systemu napędowego dla samolotów pozbawionych ruchomych części. Inspirowały go wahadłowce, które oglądał w serialu "Star Trek". W końcu natrafił na zjawisko nazywane "wiatrem jonowym", znane również jako "ciąg elektro-aerodynamiczny" (EHD). To fizyczne zjawisko, która zostało po raz pierwszy zidentyfikowane w latach 20. XX wieku, opisuje ciąg powietrzny, który może być wytwarzany, gdy prąd przepływa pomiędzy cienką i grubą elektrodą. Przez przykładanie napięcia do pary elektrod elektrony są usuwane z pobliskich cząsteczek powietrza, a zjonizowane powietrze zderza się z cząsteczkami neutralnego powietrza, gdy przemieszcza się z jednej elektrody do drugiej. Jeśli zastosuje się wystarczające napięcie, powietrze pomiędzy elektrodami może wytworzyć ciąg.
Amerykański eksperymentator Thomas Townsend Brown spędził dużą część swojego życia, pracując nad jonowym napędem, będąc zresztą mylnie przekonany, że jest to efekt antygrawitacyjny (3), który nazwał efektem Biefelda-Browna. Ponieważ jego urządzenia wytwarzały ciąg w kierunku gradientu pola, niezależnie od kierunku grawitacji, i nie działały w próżni, inni pracownicy zdali sobie sprawę, że efekt ten był spowodowany przez "wiatr jonowy".
W latach 50. i 60. XX wieku amerykański konstruktor samolotów major Alexander Prokofieff de Seversky badał zastosowanie napędu EHD do unoszenia statków powietrznych. Zgłosił nawet patent na "jonolot" w 1959 r. Zbudował i oblatał model jonolotu VTOL zdolnego do manewrowania na boki poprzez zmianę napięcia przyłożonego w różnych obszarach, choć zasilanie pozostało zewnętrzne.
W późniejszym okresie na uwagę zasługuje konstrukcja Wingless Electromagnetic Air Vehicle (WEAV) z 2008 roku, badana przez zespół naukowców kierowany przez Subratę Roya na Uniwersytecie Florydy. W systemie napędowym zastosowano wiele innowacji, w tym pole magnetyczne do zwiększenia wydajności jonizacji.
Pierwszym samolotem z napędem jonowym, który wystartował i poleciał z wykorzystaniem własnego zasilania pokładowego, był statek VTOL opracowany przez Ethana Kraussa z firmy Electron Air w 2006 roku. Jednostka rozwijała ciąg wystarczający do szybkiego wznoszenia się lub do lotu poziomego przez kilka minut.
Rekord w sali gimnastycznej
Dawniej często uważano, że niemożliwe będzie wytworzenie wystarczającej ilości wiatru jonowego, aby napędzić większy samolot w trakcie długotrwałego lotu. Zjawisko to było raczej przedmiotem zabawy hobbystów. W końcu Barrett dokonał obliczeń, z których wynikało, że jednak możliwe jest wykorzystanie tego zjawiska do napędu cięższej jednostki.
Ostateczny projekt jego zespołu przypomina szybowiec. Testowana jednostka latająca ważyła około 2,5 kg i miała pięciometrowej rozpiętości skrzydła. Konstrukcję przenika sieć cienkich przewodów, które rozciągają się wzdłuż i pod przednią częścią skrzydła samolotu. Działają jak dodatnio naładowane elektrody, zaś podobnie ułożone grubsze przewody, biegnące wzdłuż tylnej części skrzydła samolotu, służą jako elektrody ujemne. W kadłubie samolotu znajduje się stos akumulatorów litowo-polimerowych.
W skład zespołu Barretta pracującego nad samolotem jonowym wchodzili członkowie grupy badawczej Power Electronics profesora Davida Perreault z Laboratorium Badawczego Elektroniki, którzy zaprojektowali zasilacz przekształcający moc akumulatorów na wystarczająco wysokie napięcie. W ten sposób akumulatory dostarczały prąd o napięciu 40 tysięcy woltów, który ładował przewody za pomocą lekkiego konwertera. Kiedy przewody zostają już naładowane, przyciągają i usuwają ujemnie naładowane elektrony z otaczających je cząsteczek powietrza, tak jak magnes przyciąga opiłki żelaza. Pozostałe cząsteczki powietrza są zjonizowane i przyciągane do ujemnie naładowanych elektrod z tyłu samolotu. Czyli inaczej mówiąc, chmura jonów płynie w kierunku ujemnie naładowanych przewodów, a każdy jon zderza się miliony razy z innymi cząsteczkami powietrza, tworząc ciąg, który napędza samolot do przodu.
Zespół wykonał wiele lotów próbnych w sali gimnastycznej w centrum sportowym duPont MIT, czyli w największej przestrzeni wewnętrznej, jaką udało się znaleźć do przeprowadzenia eksperymentów. Mały samolot pokonał 60 metrów (więcej w sali gimnastycznej nie mógł), osiągając ok. 17 km/h prędkości. Loty te powtarzane były wielokrotnie. Na podstawie tych eksperymentów wysunięto wniosek, że ciąg jonowy jest wystarczający do napędu małych jednostek na długich dystansach. Osiągnięcie było znaczące, zwłaszcza że wcześniejsi eksperymentatorzy nie osiągnęli nic więcej niż krótkotrwałe loty kilkugramowych modeli napędzanych jonowo.
Po przeprowadzeniu tych udanych prób zespół Barretta pracował nad zwiększeniem wydajności swojej konstrukcji, czyli produkowaniem silniejszego wiatru jonowego przy mniejszym napięciu. Badacze mają również nadzieję na zwiększenie gęstości ciągu - ilości ciągu generowanego na jednostkę powierzchni. Obecnie latanie lekkim samolotem zespołu wymaga dużej powierzchni elektrod. W idealnej sytuacji Barrett chciałby zaprojektować samolot bez widocznego układu napędowego a ponadto, zdaniem Baretta, napęd jonowy mógłby nawet zostać wykorzystany do sterowania samolotem, dzięki czemu nie potrzebowałby on tradycyjnych powierzchni sterujących. W ten sposób silniki półprzewodnikowe nie tylko napędzałyby samolot, ale także kontrolowałyby jego kierunek.
Warto zwrócić uwagę, że "wiatr jonowy" wykorzystywany w konstrukcji MIT, choć opiera się na ciągu naładowanych atomów, jednak nie jest tym samym typem napędu, co rakietowe silniki jonowe wykorzystywane w kosmonautyce. Choć w rakietowym silniku jonowym czynnikiem nośnym również są jony, jednak są one niejako "sztucznie" rozpędzane. Energia wyrzucająca gaz z silnika pochodzi w stosowanych w kosmosie konstrukcjach z zewnętrznego źródła (najczęściej z baterii słonecznych).
Najpierw atomy gazu (ksenonu) pozbawiane są ładunku ujemnego, czyli zostają przekształcone w jony dodatnie. Następnie są przyspieszane pod wpływem pola elektrycznego lub magnetycznego, osiągając prędkość nawet kilkudziesięciu km/s. Duża prędkość wyrzucanego czynnika daje dużą siłę ciągu przypadającą na jednostkę masy wyrzucanej substancji. Jednak ze względu na małą moc układu zasilającego masa wyrzucanego czynnika zwykle nie jest duża, zmniejszając przez to sumaryczną siłę ciągu rakiety.
Zarówno powietrzny, jak i kosmiczny napęd jonowy jest uważany za coś niezwykle obiecującego. Oba jednak typy "jonolotów" mają wciąż niezadowalające parametry, choć rakiety jonowe są jednak na innym etapie niż samoloty, gdyż korzysta się z nich już w normalnych misjach kosmicznych, np. w sondzie Dawn, która badała planetoidę Ceres.
Mirosław Usidus
