Se MIT Engineers Fly First-Ever Plan med inga rörliga delar

MIT ingenjörer har byggt och flown det första planet utan rörliga delar. Istället för propellrar eller turbiner drivs det lätta flygplanet med en "jonvind" - ett tyst men mäktigt flöde av joner som produceras ombord på planet, och det ger tillräckligt med drivkraft för att driva planet över en hållbar, stadig flygning.

Ingenjör Steven Barrett säger att inspirationen till lagets jonplan kommer delvis från film- och televisionsserien, Star Trek, som han såg ivrig som ett barn. Han drabbades särskilt av de futuristiska bussar som enkelt skummade genom luften, med till synes inga rörliga delar och knappast några ljud eller avgaser.

"Det här fick mig att tänka på planen på lång sikt att inte ha propellrar och turbiner", säger Barrett. "De borde vara mer som pendlarna i Star Trek, som bara har en blå glöd och tyst glider."

För ungefär nio år sedan började Barrett leta efter sätt att utforma ett framdrivningssystem för plan utan rörliga delar. Han kom så småningom på "jonvind", även känd som elektroerodynamisk dragkraft - en fysisk princip som först identifierades på 1920-talet och beskriver en vind eller tryck som kan produceras när en ström passerar mellan en tunn och en tjock elektrod. Om tillräcklig spänning påläggs, kan luften mellan elektroderna producera tillräckligt kraft för att driva ett litet flygplan.

I åratal har elektroaerodynamisk drivkraft för det mesta varit en hobbyistprojekt, och mönster har för det mesta varit begränsade till små, stationära "lifters" bundna till stora spänningsaggregat som skapar tillräckligt mycket vind för en liten båt att sväva kort i luften. Det antogs i stor utsträckning att det skulle vara omöjligt att producera tillräckligt med jonvind för att driva ett större flygplan över ett bestående flyg.

"Det var en sömnlös natt på ett hotell när jag var jetlagd, och jag tänkte på det här och började leta efter sätt som det kunde bli gjort", påminner han om. "Jag gjorde några back-of-the-envelope beräkningar och fann att ja det kan bli ett livskraftigt framdrivningssystem", säger Barrett. "Och det visade sig att det behövdes många års arbete för att komma från det till ett första testflyg."

Lagets slutliga design liknar en stor, lättviktig glider. Flygplanet, som väger cirka fem pund och har en fem meter vingspan, har en uppsättning tunna trådar som är sträckta som horisontell fäktning längs och under den främre änden av planetens vinge. Ledningarna verkar som positivt laddade elektroder, medan liknande arrangemang tjockare trådar, som löper längs planetens vings bakre ände, tjänar som negativa elektroder.

Flygplanskroppen rymmer en stapel litiumpolymerbatterier.Barretts jonplanlag omfattade medlemmar av professor David Perreaults kraftelektronikforskningsgrupp i Research Laboratory of Electronics, som konstruerade en strömförsörjning som skulle omvandla batteriernas utgång till en tillräckligt hög spänning för att driva planet. På så sätt levererar batterierna elektricitet vid 40 000 volt för att laddning av ledningarna positivt via en lättomvandlare.

När trådarna är energiska, agerar de för att locka bort och avlägsna negativt laddade elektroner från de omgivande luftmolekylerna, som en jätte magnet som lockar järnfyllningar. De luftmolekyler som finns kvar är nyligen joniserade och attraheras i sin tur till de negativt laddade elektroderna på baksidan av planet.

När det nybildade molnet av joner flyter mot de negativt laddade kablarna, kolliderar varje jon miljoner gånger med andra luftmolekyler, vilket skapar ett tryck som driver fram planet.

Teamet, som också inkluderade Lincoln Laboratory personal Thomas Sebastian och Mark Woolston, flög planet i flera testflygningar över gymnasiet i MITs duPont Athletic Center - det största inomhusutrymmet som de kunde hitta för att utföra sina experiment. Laget flög planet ett avstånd på 60 meter (det maximala avståndet i gymmet) och fann att planet producerade tillräckligt med jonisk kraft för att upprätthålla flygningen hela tiden. De upprepade flygningen 10 gånger, med liknande prestanda.

"Detta var det enklaste möjliga planet vi kunde designa som kunde bevisa konceptet att ett jonplan skulle kunna flyga", säger Barrett. "Det är fortfarande långt ifrån ett flygplan som kan utföra ett användbart uppdrag. Det måste vara effektivare, flyga längre och flyga utanför."

Barretts lag arbetar med att öka effektiviteten i sin design, för att producera mer jonisk vind med mindre spänning. Forskarna hoppas också att öka designens trycktäthet - mängden tryckkraft som genereras per enhetsarea. För närvarande flygande lagets lätta plan kräver ett stort område av elektroder, vilket i huvudsak utgör flygets framdrivningssystem. Helst skulle Barrett utforma ett flygplan utan synligt framdrivningssystem eller separata kontrollytor som roder och hissar.

"Det tog lång tid att komma hit", säger Barrett. "Att gå från grundprincipen till någonting som faktiskt flyger var en lång resa för att karakterisera fysiken, sedan komma fram till designen och få den att fungera. Nu är möjligheterna till denna typ av framdrivningssystem livskraftiga."