Desde su invención hace más de 100 años, los aviones han sido movidos por el aire por las superficies giratorias de las hélices o turbinas. Pero viendo películas de ciencia ficción como las series "Star Wars", "Star Trek" y "Regreso al futuro", imaginé que los sistemas de propulsión del futuro serían silenciosos e inmóviles, tal vez con algún tipo de brillo azul y "whoosh" "Ruido, pero sin partes móviles, y sin corriente de contaminación que salga por la parte posterior.
Eso aún no existe, pero hay al menos un principio físico que podría ser prometedor. Hace unos nueve años, comencé a investigar el uso de vientos iónicos (flujos de partículas cargadas a través del aire) como un medio para impulsar el vuelo. Sobre la base de décadas de investigación y experimentación de académicos y aficionados, profesionales y estudiantes de ciencias de secundaria, mi grupo de investigación recientemente voló en un avión casi silencioso sin partes móviles.
El avión pesaba alrededor de cinco libras (2.45 kilogramos) y tenía una envergadura de 15 pies (5 metros), y viajó alrededor de 180 pies (60 metros), por lo que es un largo camino para transportar de manera eficiente carga o personas a largas distancias. Pero hemos demostrado que es posible volar un vehículo más pesado que el aire usando vientos iónicos. Incluso tiene un brillo que puedes ver en la oscuridad.
Revisando la investigación descartada
El proceso que utiliza nuestro avión, formalmente llamado propulsión electroaerodinámica, fue investigado ya en la década de 1920 por un científico excéntrico que pensó que había descubierto la antigravedad, lo que, por supuesto, no era el caso. En la década de 1960, los ingenieros aeroespaciales exploraron su uso para impulsar el vuelo, pero concluyeron que eso no sería posible con la comprensión de los vientos iónicos y la tecnología disponible en ese momento.
Más recientemente, sin embargo, una gran cantidad de aficionados, y estudiantes de secundaria que realizan proyectos de feria de ciencias, han construido pequeños dispositivos de propulsión electroaerodinámica que sugieren que podría funcionar después de todo. Su trabajo fue fundamental para los primeros días del trabajo de mi grupo. Intentamos mejorar su trabajo, especialmente mediante la realización de una gran serie de experimentos para aprender a optimizar el diseño de los propulsores electroaerodinámicos.
Moviendo el aire, no las partes del avión
La física subyacente de la propulsión electroaerodinámica es relativamente fácil de explicar e implementar, aunque parte de la física subyacente es compleja.
Usamos un filamento o cable delgado que se carga a +20, 000 voltios usando un convertidor de potencia liviano, que a su vez obtiene su energía de una batería de polímero de litio. Los filamentos delgados se llaman emisores y están más cerca del frente del avión. Alrededor de estos emisores, el campo eléctrico es tan fuerte que el aire se ioniza: las moléculas de nitrógeno neutro pierden un electrón y se convierten en iones de nitrógeno con carga positiva.
Más atrás en el avión colocamos una superficie de sustentación, como un ala pequeña, cuyo borde de ataque es eléctricamente conductor y está cargado a -20, 000 voltios por el mismo convertidor de potencia. Esto se llama el coleccionista. El coleccionista atrae los iones positivos hacia él. A medida que los iones fluyen desde el emisor hacia el colector, chocan con las moléculas de aire sin carga, causando lo que se denomina un viento iónico que fluye entre los emisores y los colectores, impulsando el avión hacia adelante.
Este viento iónico reemplaza el flujo de aire que crearía un motor a reacción o una hélice.
Comenzando pequeño
He liderado investigaciones que han explorado cómo funciona realmente este tipo de propulsión, desarrollando un conocimiento detallado de cuán eficiente y poderoso puede ser.
Mi equipo y yo también hemos trabajado con ingenieros eléctricos para desarrollar la electrónica necesaria para convertir la salida de las baterías a las decenas de miles de voltios necesarios para crear un viento iónico. El equipo pudo producir un convertidor de potencia mucho más ligero que cualquier otro disponible anteriormente. Ese dispositivo era lo suficientemente pequeño como para ser práctico en el diseño de un avión, que finalmente pudimos construir y volar.
Nuestro primer vuelo es, por supuesto, muy lejos de las personas que vuelan. Ya estamos trabajando para hacer que este tipo de propulsión sea más eficiente y capaz de transportar cargas más grandes. Las primeras aplicaciones comerciales, suponiendo que llegue tan lejos, podrían ser la fabricación de drones silenciosos de ala fija, incluso para monitoreo ambiental y plataformas de comunicación.
Mirando más hacia el futuro, esperamos que pueda usarse en aviones más grandes para reducir el ruido e incluso permitir que la piel exterior de un avión ayude a producir empuje, ya sea en lugar de motores o para aumentar su potencia. También es posible que el equipo electroaerodinámico se pueda miniaturizar, lo que permite una nueva variedad de nano-drones. Muchos podrían creer que estas posibilidades son improbables o incluso imposibles. Pero eso es lo que pensaron los ingenieros de la década de 1960 sobre lo que ya estamos haciendo hoy.
Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation.
Steven Barrett, profesor de aeronáutica y astronáutica, Instituto de Tecnología de Massachusetts
