Nuo pat pirmojo lėktuvo skrydžio prieš daugiau nei šimtą metų, praktiškai visi lėktuvai skraido, naudodami judančias dalis – propelerius, turbinas, ventiliatorius, kuriems energiją tiekia deginamas kuras ar elektros baterijos.
Nuo pat pirmojo lėktuvo skrydžio prieš daugiau nei šimtą metų, praktiškai visi lėktuvai skraido, naudodami judančias dalis – propelerius, turbinas, ventiliatorius, kuriems energiją tiekia deginamas kuras ar elektros baterijos.
Dabar MIT inžinieriai sukūrė ir išbandė pirmąjį lėktuvą, kuriame judančių dalių nėra. Vietoje propelerių ar turbinų, lengvąjį lėktuvą varo „jonų vėjas“ – tylus, bet galingas pakankamą trauką sukuriantis lėktuve generuojamas jonų srautas.
Kitaip nei turbininiai lėktuvai, šis orlaivis iškastinio kuro nenaudoja. Ir kitaip nei propeleriu varomi dronai, jis visiškai tylus.
„Tai pirmasis lėktuvo, kurio varos sistemoje nėra judančių dalių, skrydis, – sako Stevenas Barrettas, aeronautikos ir astronautikos asoc. profesorius MIT. – Tai potencialiai atvėrė naujas ir neištirtas galimybes orlaiviams, kurie tylesni, mechaniškai paprastesni ir be deginių emisijų.“
Jis tikisi netrukus tokias jonų vėjo varos sistemas panaudoti tylesniems dronams. Vėliau – jonų varos sistemomis papildyti įprastus variklius ir sukurti efektyvesnius, hibridinius keleivinius lėktuvus ir kitus didelius orlaivius.
Savo rezultatus Barrettas su komanda publikavo žurnale „Nature“.
Hobio dirbiniai
Įkvėpimo komandos joniniam varikliui Barrettas sakė sėmęsis ir iš „Star Trek“ filmo bei televizijos serialo, kurį įdėmiai stebėjo dar būdamas vaikas. Jam ypač patiko be pastangų oru nardę futuristiniai aparatai be jokių regimų judamų dalių, neskleidę garso ir dūmų.
„Todėl maniau, kad tolimoje ateityje lėktuvai turėtų skraidyti be propelerių ir turbinų, – pasakoja Barrettas. – Jie turėtų labiau priminti „Star Trek“ skraidykles, kurios tik melsvai švytėjo ir skriejo tyliai.“
Maždaug prieš devynis metus Barrettas ėmėsi ieškoti būdų, kaip galėtų sukurti varos sistemą be judančių dalių. Galiausiai jo dėmesys apsistojo ties „jonų vėju“, dar vadinamu elektroaerodinamine trauka – dar praėjusio amžiaus trečiajame dešimtmetyje aptiktas fizikos reiškinys, aprašytas kaip vėjas ar stūma, atsirandanti, leidžiant elektros srovę tarp plono ir storo elektrodo. Jei įtampa pakankamai aukšta, tarp elektrodų esantis oras gali sukurti trauką nedideliam orlaiviui skraidinti pakankamą trauką.
Daug metų elektroaerodinaminė trauka daugiausiai gyvavo laisvalaikio projektuose, kurių dizainai paprastai apsiribodavo nedideliais staliniais „keltuvais“, prijungtais prie aukštos įtampos šaltinio, galinčiais sukurti vėją, kurio pakako nedideliam aparatui kaboti ore. Buvo sutariama, kad sukurti pakankamą joninį vėją, galintį palaikyti didelio orlaivio skrydį, būtų neįmanoma.
„Dėl laiko juostų skirtumo kamavausi neužmigdamas viešbutyje ir galvojau apie šią ir ėmiausi ieškoti būdų, kaip tai būtų galima atlikti,“ prisimena jis. „Atlikau kai kuriuos pradinius skaičiavimus ir išsiaiškinau, kad, taip, tai galėtų tapti tinkama varos sistema, – sako Barrettas. – Ir prisireikė daug metų darbo, kol įvyko pirmas bandomasis skrydis.“
Skraidantys jonai
Galutinis komandos dizainas primena didelį, lengvą sklandytuvą. Maždaug pustrečio kilogramo sveriantis ir 5 metrų sparnų mojo orlaivis nusagstytas plonomis vielutėmis, ištemptomis horizontaliai išilgai lėktuvo sparno ir po juo. Vielutės veikia kaip teigiami elektrodai, tuo tarpu galinėje sparno dalyje panašiai išdėliotos storesnės vielos – kaip neigiami.
Lėktuvo fiuzelaže sudėtos ličio-polimerų baterijos. Barretto jonų lėktuvo komandoje dalyvavo ir prof. Davido Perreaulto Elektronikos tyrimų laboratorijos „Power Electronics Research Group“ nariai, sukūrę lengvą elektros srovės konverterį, kurie baterijos srovę konvertavo į pakankamai aukštą lėktuvo skridimui, 40 000 V, įtampą, kurią tiekė teigiamoms vielutėms.
Kai prie vielučių pajungiama energija, jos iš aplinkinio oro molekulių pritraukia elektronus ir juos nuplėšia, kaip didžiulis magnetas pritraukia geležies pjuvenas. Netekusios elektronų – jonizuotos, – oro molekulės pasileidžia link ja traukiančių neigiamai įelektrintų elektrodų lėktuvo gale.
Sklisdami link neigiamai įelektrintų vielučių, jonai susiduria su kitomis oro molekulėmis, sukurdami trauką, varančią orlaivį į priekį.
Komanda, kurioje dar dalyvavo ir Lincolno laboratorijos darbuotojas Thomas Sebastianas ir Markas Woolstonas, ne kartą skraidino lėktuvą MIT „duPont Athletic Center“ sporto salėje – didžiausioje jų rastoje uždaroje patalpoje, kurioje galėjo atlikti eksperimentus. Komanda skraidino lėktuvą 60 metrų (didžiausias atstumas salėje) ir išsiaiškino, kad lėktuvo jonų sukuriamos traukos pakaktų nuolatiniam skrydžiui. Jie pakartojo skrydį 10 kartų su panašiu rezultatu.
„Tai buvo paprasčiausias įmanomas lėktuvas, kokį tik galėjome sukurti, norėdami įrodyti, kad jonų lėktuvas gali skristi, – sako Barrettas. – Tačiau naudingą misiją galinčio atlikti orlaivio dar teks luktelėti. Jis dar turi būti efektyvesnis, skristi ilgiau ir skristi lauke.“
Barretto komanda stengiasi padidinti savo dizaino efektyvumą ir sukurti daugiau jonų vėjo su žemesne įtampa. Taip pat tikimasi padidinti srauto tankį — varą, tenkančią ploto vienetui. Dabar komandos lengvam lėktuvui reikia didelio lėktuvo varos sistemą sudarančių elektrodų ploto. Idealiu atveju Barrettas norėtų sukurti orlaivį, kuriame varos sistemos ar valdymo plokštumos – aukščio, krypties vairai, telefonai – nebūtų matomos.
„Ilgai truko, kol tiek pasiekėme, – sako Barrettas. – Kelias nuo esminių principų, fizikos apibūdinimo, dizaino kūrimo prie kažko, kas iš tiesų skrenda, buvo ilgas. Dabar tokio tipo varos sistemų galimybės tapo prieinamos.“
