Siden deres opfindelse for mere end 100 år siden er flyvemaskiner blevet flyttet gennem luften af de roterende overflader på propeller eller turbiner. Men når jeg så science-fiction-film som "Star Wars", "Star Trek" og "Back to the Future" -serien, forestilte jeg mig, at fremtidens fremdrivningssystemer ville være stille og stille - måske med en slags blå glød og "whoosh" ”Støj, men ingen bevægelige dele og ingen strøm af forurening, der hælder ud på ryggen.
Dette findes ikke endnu, men der er mindst et fysisk princip, der kan være lovende. For omkring ni år siden begyndte jeg at undersøge ved hjælp af ioniske vinde - strømme af ladede partikler gennem luften - som et middel til at drive flugt. På baggrund af årtier med forskning og eksperimentering fra akademikere og hobbyister, fagfolk og videnskabsstuderende på gymnasiet fløj min forskergruppe for nylig et næsten lydløst fly uden bevægelige dele.
Flyet vejer cirka 5 pund (2, 45 kg) og havde et vingespænde på 15 fod (5 meter) og rejste omkring 180 fod (60 meter), så det er langt fra effektivt at transportere last eller folk lange afstande. Men vi har bevist, at det er muligt at flyve et tyngre køretøj end luft ved hjælp af ionvind. Det har endda en glød, du kan se i mørke.
Gennemgang af kasseret forskning
Den proces, som vores fly bruger, formelt kaldet elektroaerodynamisk fremdrift, blev undersøgt så langt tilbage som i 1920'erne af en eksentrisk videnskabsmand, der troede, at han havde opdaget en anti-tyngdekraft - hvilket naturligvis ikke var tilfældet. I 1960'erne udforskede luftfartsingeniører at bruge det til at drive fly, men de konkluderede, at det ikke ville være muligt med forståelsen af ioniske vinde og den tilgængelige teknologi på det tidspunkt.
For nylig har imidlertid et stort antal hobbyister - og gymnasiestuderende, der laver videnskabsmæssige projekter - bygget små elektroaerodynamiske fremdrivningsanordninger, der antydede, at det trods alt kunne fungere. Deres arbejde var centralt i de tidlige dage af min gruppes arbejde. Vi søgte at forbedre deres arbejde, især ved at udføre en stor række eksperimenter for at lære, hvordan man optimerer designet til elektroaerodynamiske thrustere.
Bevægelse af luften, ikke flydelene
Den underliggende fysik ved elektroaerodynamisk fremdrift er relativt ligetil at forklare og implementere, selvom noget af den underliggende fysik er kompleks.
Vi bruger en tynd filament eller ledning, der oplades til +20.000 volt ved hjælp af en let kraftkonverter, som igen får sin styrke fra et lithium-polymerbatteri. De tynde filamenter kaldes emittere og er tættere på fronten af flyet. Omkring disse udsendere er det elektriske felt så stærkt, at luften bliver ioniseret - neutrale nitrogenmolekyler mister et elektron og bliver positivt ladede nitrogenioner.
Længere tilbage på flyet placerer vi en luftplade - som en lille vinge - hvis forkant er elektrisk ledende og lades til -20.000 volt af den samme kraftomformer. Dette kaldes samleren. Samleren tiltrækker de positive ioner mod den. Når ionerne strømmer fra emitteren til samleren, kolliderer de med uladede luftmolekyler, hvilket forårsager, hvad der kaldes en ionisk vind, der strømmer mellem emitterne og samlerne, og fremdriver planet fremad.
Denne ioniske vind erstatter den luftstrøm, som en jetmotor eller propell ville skabe.
Begynder lille
Jeg har ledet forskning, der har undersøgt, hvordan denne type fremdrift faktisk fungerer, og udviklet detaljeret viden om, hvor effektiv og kraftfuld den kan være.
Mit team og jeg har også arbejdet med elektriske ingeniører for at udvikle den elektronik, der er nødvendig for at konvertere batteriets output til de titusinder af volt, der kræves for at skabe en ionisk vind. Holdet var i stand til at producere en strømkonverter langt lettere end nogen tidligere tilgængelig. Denne enhed var lille nok til at være praktisk i et flydesign, som vi i sidste ende var i stand til at bygge og flyve.
Vores første flyvning er selvfølgelig en meget lang vej fra flyvende mennesker. Vi arbejder allerede med at gøre denne type fremdrift mere effektiv og i stand til at bære større belastninger. De første kommercielle applikationer, hvis man antager, at det kommer så langt, kunne være at lave lydløse fastvingede droner, herunder til miljøovervågning og kommunikationsplatforme.
Ser vi længere ind i fremtiden, håber vi, at det kunne bruges i større fly til at reducere støj og endda tillade et flys udvendige hud at hjælpe med at producere drivkraft, enten i stedet for motorer eller for at øge deres magt. Det er også muligt, at elektroaerodynamisk udstyr kunne miniaturiseres, hvilket muliggør en ny række nano-droner. Mange tror måske, at disse muligheder er usandsynlige eller endda umulige. Men det var, hvad ingeniørerne fra 1960'erne tænkte på, hvad vi allerede gør i dag.
Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation.
Steven Barrett, professor i luftfart og astronautik, Massachusetts Institute of Technology
