วิศวกรขับเครื่องบินลำแรกโดยไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว

ตอนนี้วิศวกรของ MIT ได้สร้างและบินเครื่องบินลำแรกที่ไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว แทนที่จะใช้ใบพัดหรือกังหัน เครื่องบินขนาดเบานี้ใช้พลังงานจาก "ลมไอออนิก" ซึ่งเป็นการไหลของไอออนที่เงียบแต่ทรงพลังซึ่งผลิตขึ้นบนเครื่องบิน และสร้างแรงขับเพียงพอที่จะขับเคลื่อนเครื่องบินให้บินได้อย่างต่อเนื่องและมั่นคง เครื่องบินนี้ไม่เหมือนกับเครื่องบินที่ขับเคลื่อนด้วยกังหัน เครื่องบินไม่ต้องพึ่งพาเชื้อเพลิงฟอสซิลในการบิน และแตกต่างจากโดรนที่ขับเคลื่อนด้วยใบพัดตรงที่ การออกแบบใหม่นั้นเงียบสนิท Steven Barrett รองศาสตราจารย์ด้านการบินและอวกาศของ MIT กล่าวว่า "นี่เป็นการบินอย่างต่อเนื่องครั้งแรกของเครื่องบินที่ไม่มีชิ้นส่วนเคลื่อนที่ในระบบขับเคลื่อน "สิ่งนี้อาจเปิดโอกาสใหม่ๆ ที่ไม่เคยมีมาก่อนสำหรับเครื่องบินที่เงียบกว่า กลไกเรียบง่ายกว่า และไม่ปล่อยมลพิษจากการเผาไหม้" เขาคาดว่าในระยะเวลาอันใกล้ ระบบขับเคลื่อนด้วยลมไอออนดังกล่าวจะสามารถนำมาใช้บินโดรนที่มีเสียงดังน้อยลงได้ ยิ่งไปกว่านั้น เขาจินตนาการถึงการขับเคลื่อนไอออนที่จับคู่กับระบบการเผาไหม้แบบเดิมเพื่อสร้างเครื่องบินโดยสารแบบไฮบริดและเครื่องบินขนาดใหญ่อื่นๆ ที่ประหยัดเชื้อเพลิงมากขึ้น Barrett และทีมงานของเขาที่ MIT ได้เผยแพร่ผล งานของพวกเขาในวารสารNature งานฝีมืองานอดิเรก บาร์เร็ตต์กล่าวว่าแรงบันดาลใจสำหรับเครื่องบินไอออนของทีมส่วนหนึ่งมาจากภาพยนตร์และซีรีส์ทางโทรทัศน์เรื่อง "Star Trek" ที่เขาดูอย่างกระตือรือร้นเมื่อยังเป็นเด็ก เขาสนใจเป็นพิเศษกับยานกระสวยอวกาศแห่งอนาคตที่ลอยตัวในอากาศได้อย่างง่ายดาย โดยแทบไม่มีชิ้นส่วนใดเคลื่อนไหวเลย และแทบจะไม่มีเสียงรบกวนหรือไอเสียเลย "สิ่งนี้ทำให้ฉันคิดว่าในอนาคตระยะยาว เครื่องบินไม่ควรมีใบพัดและกังหัน" Barrett กล่าว "พวกมันควรจะเป็นเหมือนกระสวยอวกาศใน 'Star Trek' ที่มีแสงสีฟ้าและร่อนอย่างเงียบ ๆ " ประมาณเก้าปีที่แล้ว Barrett เริ่มมองหาวิธีออกแบบระบบขับเคลื่อนสำหรับเครื่องบินที่ไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว ในที่สุดเขาก็พบ "ลมไอออนิก" หรือที่เรียกว่าแรงขับไฟฟ้าพลศาสตร์ ซึ่งเป็นหลักการทางกายภาพที่ระบุครั้งแรกในทศวรรษที่ 1920 และอธิบายถึงลมหรือแรงขับที่สามารถผลิตได้เมื่อกระแสผ่านระหว่างอิเล็กโทรดแบบบางและแบบหนา . หากใช้แรงดันไฟฟ้าเพียงพอ อากาศที่อยู่ระหว่างอิเล็กโทรดสามารถสร้างแรงขับได้มากพอที่จะขับเคลื่อนเครื่องบินขนาดเล็ก หลายปีมานี้ แรงขับแบบอิเล็กโทรแอโรไดนามิกส่วนใหญ่เป็นโครงการของนักเล่นอดิเรก และการออกแบบส่วนใหญ่จำกัดไว้เฉพาะ "ลิฟเตอร์" แบบตั้งโต๊ะขนาดเล็กที่ผูกโยงกับแหล่งจ่ายแรงดันไฟฟ้าขนาดใหญ่ที่สร้างลมเพียงพอให้ยานขนาดเล็กลอยอยู่ในอากาศได้ชั่วครู่ ส่วนใหญ่สันนิษฐานว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะผลิตลมไอออนิกมากพอที่จะขับเคลื่อน เครื่องบิน ขนาดใหญ่กว่าในเที่ยวบินที่ยั่งยืน “เป็นคืนที่นอนไม่หลับในโรงแรมแห่งหนึ่งตอนที่ผมมีอาการเจ็ตแล็ก และผมคิดเกี่ยวกับเรื่องนี้และเริ่มค้นหาวิธีที่จะทำได้” เขาเล่า "ฉันคำนวณแบบหลังซองและพบว่า ใช่ มันอาจกลายเป็นระบบขับเคลื่อนที่ใช้การได้" บาร์เร็ตต์กล่าว "และกลายเป็นว่าต้องใช้เวลาหลายปีกว่าจะทำการบินทดสอบครั้งแรกได้" ไอออนบิน การออกแบบขั้นสุดท้ายของทีมคล้ายกับเครื่องร่อนขนาดใหญ่และน้ำหนักเบา เครื่องบินลำนี้มีน้ำหนักประมาณ 5 ปอนด์ และมีปีกกว้าง 5 เมตร มีสายไฟบางๆ เรียงเป็นชุด ซึ่งพันกันเหมือนรั้วแนวนอนตลอดแนวและใต้ส่วนหน้าของปีกเครื่องบิน สายไฟทำหน้าที่เป็นขั้วไฟฟ้าที่มีประจุบวก ในขณะที่สายไฟที่เรียงหนาขึ้นในทำนองเดียวกันซึ่งวิ่งไปตามส่วนท้ายของปีกเครื่องบินจะทำหน้าที่เป็นขั้วไฟฟ้าลบ ลำตัวของเครื่องบินมีกองแบตเตอรี่ลิเธียมโพลิเมอร์ ทีมเครื่องบินไอออนของ Barrett ประกอบด้วยสมาชิกของกลุ่มวิจัย Power Electronics Research Group ของศาสตราจารย์ David Perreault ในห้องปฏิบัติการวิจัยด้านอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งออกแบบแหล่งจ่ายไฟที่จะแปลงเอาต์พุตของแบตเตอรี่ให้มีแรงดันไฟฟ้าสูงพอที่จะขับเคลื่อนเครื่องบินได้ ด้วยวิธีนี้ แบตเตอรี่จะจ่ายกระแสไฟฟ้าที่ 40,000 โวลต์เพื่อชาร์จสายไฟให้เป็นบวกผ่านตัวแปลงไฟที่มีน้ำหนักเบา เมื่อสายไฟได้รับพลังงาน สายไฟจะทำหน้าที่ดึงดูดและดึงอิเล็กตรอนที่มีประจุลบออกจากโมเลกุลของอากาศโดยรอบ เหมือนกับแม่เหล็กขนาดยักษ์ที่ดึงดูดตะไบเหล็ก โมเลกุลของอากาศที่ถูกทิ้งไว้จะแตกตัวเป็นไอออนใหม่ และถูกดึงดูดไปยังขั้วไฟฟ้าที่มีประจุลบที่ด้านหลังของเครื่องบิน เมื่อเมฆไอออนที่ก่อตัวขึ้นใหม่ไหลเข้าหาสายไฟที่มีประจุลบ ไอออนแต่ละตัวจะชนกันนับล้านครั้งกับโมเลกุลของอากาศอื่นๆ ทำให้เกิดแรงขับดันเครื่องบินไปข้างหน้า ทีมงานซึ่งรวมถึงเจ้าหน้าที่ห้องปฏิบัติการลินคอล์น โทมัส เซบาสเตียน และมาร์ค วูลสตัน ทำการบินทดสอบหลายเที่ยวบินทั่วโรงยิมในศูนย์กีฬาดูปองต์ของ MIT ซึ่งเป็นพื้นที่ในร่มที่ใหญ่ที่สุดที่พวกเขาสามารถหามาทำการทดลองได้ ทีมงานบินเครื่องบินเป็นระยะทาง 60 เมตร (ระยะทางสูงสุดภายในโรงยิม) และพบว่าเครื่องบินสร้างแรงขับไอออนิกมากพอที่จะพยุงการบินไว้ตลอดเวลา พวกเขาทำการบินซ้ำ 10 ครั้งโดยมีประสิทธิภาพใกล้เคียงกัน "นี่เป็นระนาบที่ง่ายที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ที่เราสามารถออกแบบได้ ซึ่งสามารถพิสูจน์แนวคิดที่ว่าระนาบไอออนสามารถบินได้" บาร์เร็ตต์กล่าว "มันยังห่างไกลจากเครื่องบินที่สามารถปฏิบัติภารกิจที่เป็นประโยชน์ได้ มันต้องมีประสิทธิภาพมากกว่านี้ บินได้นานขึ้น และบินออกไปข้างนอก" ทีมของ Barrett กำลังทำงานเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบ เพื่อผลิตลมไอออนิกได้มากขึ้นโดยใช้แรงดันไฟฟ้าน้อยลง นักวิจัยยังหวังที่จะเพิ่มความหนาแน่นของแรงขับในการออกแบบ ซึ่งเป็นจำนวนของแรงขับที่เกิดขึ้นต่อหน่วยพื้นที่ ปัจจุบัน การบินเครื่องบินน้ำหนักเบาของทีมต้องใช้อิเล็กโทรดเป็นบริเวณกว้าง ซึ่งประกอบกันเป็นระบบขับเคลื่อนของเครื่องบินเป็นหลัก ตามหลักการแล้ว Barrett ต้องการออกแบบเครื่องบินที่ไม่มีระบบขับเคลื่อนที่มองเห็นได้หรือพื้นผิวการควบคุมที่แยกจากกัน เช่น หางเสือและลิฟต์ "ใช้เวลานานกว่าจะมาถึงที่นี่" บาร์เร็ตต์กล่าว "การเปลี่ยนจากหลักการพื้นฐานไปสู่สิ่งที่บินได้จริงนั้นเป็นการเดินทางที่ยาวนานในการระบุลักษณะทางฟิสิกส์ จากนั้นจึงคิดการออกแบบและทำให้มันใช้งานได้จริง ตอนนี้ความเป็นไปได้สำหรับระบบขับเคลื่อนประเภทนี้เป็นไปได้จริง"