Flugzeuge werden seit ihrer Erfindung vor über 100 Jahren von den rotierenden Oberflächen von Propellern oder Turbinen durch die Luft bewegt. Aber als ich Science-Fiction-Filme wie "Star Wars", "Star Trek" und "Back to the Future" sah, stellte ich mir vor, dass die Antriebssysteme der Zukunft leise und still sein würden - vielleicht mit einem blauen Schimmer und "Whoosh" Geräusche, aber keine beweglichen Teile und kein Strom von Verschmutzung, der durch den Rücken strömt.
Das gibt es noch nicht, aber es gibt mindestens ein physikalisches Prinzip, das vielversprechend sein könnte. Vor ungefähr neun Jahren begann ich zu untersuchen, wie Ionenwinde - Ströme geladener Teilchen durch die Luft - den Flug antreiben. Aufbauend auf jahrzehntelangen Forschungen und Experimenten von Akademikern und Hobbyisten, Fachleuten und Schülern der Naturwissenschaften flog meine Forschungsgruppe kürzlich ein fast geräuschloses Flugzeug ohne bewegliche Teile.
Das Flugzeug wog etwa 2, 45 Kilogramm und hatte eine Flügelspannweite von 5 Metern. Es flog etwa 60 Meter, was bedeutet, dass es weit davon entfernt ist, Fracht oder Personen über große Entfernungen effizient zu befördern. Wir haben jedoch bewiesen, dass es möglich ist, mit ionischen Winden ein Fahrzeug zu fliegen, das schwerer als Luft ist. Es hat sogar einen Schimmer, den Sie im Dunkeln sehen können.
Rückblick auf verworfene Forschung
Der Prozess, den unser Flugzeug benutzt und der früher als elektroaerodynamischer Antrieb bezeichnet wurde, wurde bereits in den 1920er Jahren von einem exzentrischen Wissenschaftler untersucht, der glaubte, die Antigravitation entdeckt zu haben - was natürlich nicht der Fall war. In den 1960er Jahren untersuchten die Luft- und Raumfahrtingenieure, wie sie das Flugzeug zum Antrieb von Flügen einsetzen können. Sie kamen jedoch zu dem Schluss, dass dies mit dem damaligen Verständnis der Ionenwinde und der verfügbaren Technologie nicht möglich wäre.
In jüngerer Zeit haben jedoch eine große Anzahl von Bastlern - und Schülern, die Projekte auf wissenschaftlicher Ebene durchführen - kleine elektroaerodynamische Antriebsvorrichtungen gebaut, die darauf hindeuteten, dass dies doch funktionieren könnte. Ihre Arbeit war ausschlaggebend für die frühen Tage meiner Gruppenarbeit. Wir haben versucht, ihre Arbeit zu verbessern, insbesondere durch die Durchführung einer großen Reihe von Experimenten, um zu lernen, wie das Design von elektroaerodynamischen Triebwerken optimiert werden kann.
Die Luft bewegen, nicht die Flugzeugteile
Die zugrunde liegende Physik des elektroaerodynamischen Antriebs ist relativ einfach zu erklären und zu implementieren, obwohl ein Teil der zugrunde liegenden Physik komplex ist.
Wir verwenden ein dünnes Filament oder einen Draht, der mit einem leichten Stromrichter auf +20.000 Volt aufgeladen wird. Dieser wird wiederum von einer Lithium-Polymer-Batterie gespeist. Die dünnen Filamente werden Emitter genannt und befinden sich näher an der Vorderseite des Flugzeugs. Um diese Strahler herum ist das elektrische Feld so stark, dass die Luft ionisiert wird - neutrale Stickstoffmoleküle verlieren ein Elektron und werden zu positiv geladenen Stickstoffionen.
Weiter hinten im Flugzeug platzieren wir ein Tragflächenprofil - wie einen kleinen Flügel - dessen Vorderkante elektrisch leitend ist und von demselben Stromrichter auf -20.000 Volt aufgeladen wird. Dies nennt man den Sammler. Der Kollektor zieht die positiven Ionen an. Wenn die Ionen vom Emitter zum Kollektor strömen, kollidieren sie mit ungeladenen Luftmolekülen und verursachen einen sogenannten Ionenwind, der zwischen den Emittern und Kollektoren fließt und das Flugzeug nach vorne treibt.
Dieser Ionenwind ersetzt den Luftstrom, den ein Strahltriebwerk oder ein Propeller erzeugen würde.
Klein anfangen
Ich habe Forschungen durchgeführt, die untersucht haben, wie diese Art von Antrieb tatsächlich funktioniert, und detaillierte Kenntnisse darüber entwickelt, wie effizient und leistungsstark er sein kann.
Mein Team und ich haben auch mit Elektrotechnikern zusammengearbeitet, um die Elektronik zu entwickeln, die zur Umwandlung der Batterieleistung in Zehntausende von Volt erforderlich ist, um einen Ionenwind zu erzeugen. Das Team war in der Lage, einen Stromrichter zu produzieren, der weitaus leichter ist als alle bisher erhältlichen. Dieses Gerät war klein genug, um in einem Flugzeugdesign praktisch zu sein, das wir letztendlich bauen und fliegen konnten.
Unser erster Flug ist natürlich weit von fliegenden Menschen entfernt. Wir arbeiten bereits daran, diese Art von Antrieb effizienter zu gestalten und größere Lasten zu tragen. Die ersten kommerziellen Anwendungen könnten lautlose Starrflügeldrohnen sein, auch für Umweltüberwachungs- und Kommunikationsplattformen.
Mit Blick auf die Zukunft hoffen wir, dass es in größeren Flugzeugen eingesetzt werden kann, um Lärm zu reduzieren und sogar die Außenhaut eines Flugzeugs dazu zu bewegen, Schub zu erzeugen, entweder anstelle von Triebwerken oder um deren Leistung zu steigern. Es ist auch möglich, dass elektroaerodynamische Geräte miniaturisiert werden, um eine neue Vielfalt von Nano-Drohnen zu ermöglichen. Viele mögen glauben, dass diese Möglichkeiten unwahrscheinlich oder sogar unmöglich sind. Aber genau das haben sich die Ingenieure der 1960er Jahre überlegt, was wir heute schon machen.
Dieser Artikel wurde ursprünglich auf The Conversation veröffentlicht.
Steven Barrett, Professor für Luft- und Raumfahrt, Massachusetts Institute of Technology
