Poletelo je prvo letalo na ionski pogon

Raziskovalcem z inštituta MIT so izdelali zrakoplov, ki je poletel brez premikajočih se delov
Objavljeno
29. november 2018 06.00
Posodobljeno
29. november 2018 06.00
Posebnost ionskega letala je, da nima gibljivih delov, zato je varnejše in tišje. Foto MIT
Gregor Veble Mikić
Gregor Veble Mikić
Raziskovalci pod vodstvom prof. Stevena Barretta s tehnološkega inštituta MIT so nedavno dvignili veliko prahu z objavo članka v reviji Nature, kjer so opisali prvi polet letala z ionskim pogonom. Majhno brezpilotno letalo je z neobičajnim tipom pogona uspešno vzdrževalo let, daljši od prvega poleta bratov Wright. Uporaba izraza ionski pogon seveda buri domišljijo, a za ovrednotenje pomena tega nedvomno izjemnega dosežka je treba pogledati globlje v osnove letenja.



2,3
kilograma tehta letalo.
Letala za let potrebujejo gibanje skozi zrak, da s krilom ustvarijo vzgon. Gibanje teles je namreč eden od redkih načinov, kako lahko uspešno ustvarjamo sile v zraku oziroma tekočini. Gibanje skozi zrak pa obenem povzroča upor, zaradi katerega letalo izgublja energijo. Da bi to energijo nadomestilo, potrebuje pogon. Za zagotavljanje pogona letala navadno potrebujejo gibljive elemente, ki so običajno propelerji ali turboventilatorski motorji, ki podobno kot krila ustvarjajo aerodinamične sile in s tem pogon.

5
metrov je razpon njegovih kril.
Tako kot krilo potiska zrak navzdol, da ustvari silo vzgona, pogonski sklop potiska zrak nazaj, da poganja letalo naprej.
Vrtenje lopatice turboventilatorskega motorja ali kraka propelerja v zraku povzroči spremembe tlaka, te pa se širijo v prostor kot zvok. Če je v letalstvu varnost daleč na prvem mestu, sta hrup in energijska učinkovitost prav gotovo glavna motivatorja razvoja. Ionski pogon, ki ima potencial izboljšati varnost, saj nima gibljivih delov, ki bi se lahko pokvarili, obenem pa zmanjšuje hrup in je okoljsko sprejemljiv, je tako vreden posebne pozornosti.
 

Kaj je dosežek skupine z inštituta MIT?


Ionski pogoni se sicer največkrat uprabljajo v vesoljskih aplikacijah, v tem eksperimentu pa gre za posebno obliko, in sicer elektroaerodinamski pogon, pri katerem ioni trkajo z nevtralnimi molekulami zraka in tako nanje prenašajo gibalno količino. Za seboj potegnejo tudi zrak in tako ustvarijo ionski veter.

Kaj je ionski pogon

Ob dovolj visoki napetosti med elektrodama se v okolici pozitivno nabite elektrode začne proces ionizacije molekul zraka, torej razpad na elektrone in pozitivno nabite ione. Pozitivno nabita elektroda prevzame bližnje negativne elektrone, negativno nabita elektroda pa pritegne pozitivno nabite ione. Potiskanje ionov med elektrodama je način, kako brez mehanskih delov ustvarjati pogon. Samih ionov je sicer premalo, da bi zadoščali za učinkovit pogon. A ioni na svoji poti trkajo z nevtralnimi molekulami zraka in tako nanje prenašajo svojo gibalno količino. Zato se med elektrodama ne giblje le tok ionov, ampak ti za seboj potegnejo tudi zrak v svoji bližini, kar ustvari tako imenovani ionski veter. Potiskanje zraka v eni smeri tako kot pri klasičnem pogonu povzroči silo pogona v nasprotni smeri.


Pogon z ionskim vetrom ni nova ideja, njeni zametki segajo več kot stoletje nazaj. Za letalske potrebe ga je v šestdesetih letih prvi predlagal prof. Paul Moller z Univerze v Davisu v Kaliforniji. Že površno brskanje po youtubu hitro razkrije veliko uspešnih domačih poskusov, v katerih so ionski veter uporabili za lebdenje majhnih napravic, ki pa ne nosijo lastnih izvirov energije. Prav tako to ni prva letalna naprava z ionskim pogonom, saj je nemška skupina Festo leta 2006 izdelala b-IONIC Airfish, to je zrakoplov, lažji od zraka.

Dosežek skupine z inštituta MIT tako ni iznajdba novega načina pogona, temveč demonstracija, da je lahko takšen način pogona praktičen za letalske naprave, težje od zraka. Pokazali so, da je mogoče sestaviti letalo z ionskim pogonom, kjer so tako zaloga energije kot vsi sistemi del letala in ki je sposobno vsaj vzdrževati višino in hitrost dovolj dolgo, da lahko govorimo o letu z lastno močjo.

  • Pogon z ionskim vetrom ni nova ideja, njeni zametki segajo več kot stoletje nazaj.
  • Skupina z inštituta MIT je prva dokazala, da je takšen pogon mogoč za naprave, težje od zraka.
  • Kot kaže, bo tehnologija najprej primerna za majhna brezpilotna letala.


Do tega uspeha ni bilo mogoče priti z eno samo enostavno idejo. Razviti je bilo treba kompaktno elektroniko in najti prave izvire energije, da bodo dovolj lahki in zmogljivi za uporabo na majhnem letalu. Letala tako ni omogočila le uporaba ionskega pogona, pač pa dolgoletni in nepovezan razvoj elektronskih naprav in baterij za mobilne naprave.

image
skupina je let čez 60-metrsko dvorano ponovila več kot desetkrat. Foto MIT


Glavni preskok je bilo torej odkritje, da je ob sedanji tehnologiji takšno letalo sploh mogoče. Sledila je zasnova letala, pri čemer je bilo treba preiskati širok nabor parametrov velikosti in zmogljivosti raznih komponent, da se je rešitev izkristalizirala. Za ta namen je skupina uporabila računalniški program, ki je na podlagi matematičnega modela letala raziskal prostor vseh mogočih rešitev in izbral optimalno. Zasnova in gradnja letala sta bili multidisciplinarni, pri razvoju so sodelovale različne skupine z inštituta MIT. Uspeh je seveda sledil šele, ko je letalo prikazalo, da zasnova ni uspešna le na papirju, pač pa tudi v zraku.
 

Kakšen je pomen odkritja


Vpliv tega poskusa na prihodnost letalstva je nehvaležno predvidevati. Britanski fizik lord Kelvin je na primer manj kot deset let pred prvim poletom bratov Wright trdil, da ne verjame v izvedljivost letalnih naprav, težjih od zraka.

Prikaz sposobnosti predstavljene tehnologije kaže na to, da bi lahko bila ta vrsta pogona vsaj na začetku primerna predvsem za majhna brezpilotna letala. Tako učinkovitost pogona, ki je v eksperimentu pod tremi odstotki, kot tudi gostota sile, ki je je trenutni pogon sposoben, še ne zadoščata za praktično uporabo na težjih in hitrejših platformah z večjim doletom. A to je šele prvi poskus, z razvojem tehnologije je prav gotovo mogoče oba parametra krepko izboljšati.

Prihodnost tehnologije je sicer najbolj odvisna od njene izvedljivosti, vendar veliko tudi od tega, koliko finančnega interesa pritegne. Navdušenje nad tehnologijo prav tako ni vedno sorazmerno z njenim prebojnim potencialom, saj zadnje čase nekritično slavimo vesoljske dosežke samovšečnih bogatašev, ki bolj ali manj ponavljajo polete, ki smo jih kot človeštvo bili sposobni že pred več kot pol stoletja.

Ker se področje brezpilotnih letal pravzaprav šele odpira in ker bo hrup ena večjih ovir za njihovo širšo uporabo, je to zanesljivo obetavna smer razvoja. Omejitve tehnologije bodo znane šele s prihodnjimi poizkusi, ki bodo skoraj zagotovo sledili.
–––––––––––
Dr. Gregor Veble Mikić je glavni aerodinamik pri podjetju Joby Aviation s sedežem v Santa Cruzu v Kaliforniji.