Sedan det första flygplanet tog flyg för över 100 år sedan, nästan alla flygplan på himlen har flugit med hjälp av rörliga delar som propellrar, turbinblad, och fans, som drivs av förbränning av fossila bränslen eller av batteripaket som ger en beständig, gnällande surr.

Nu har MIT-ingenjörer byggt och flugit det första planet någonsin utan rörliga delar. I stället för propellrar eller turbiner, det lätta flygplanet drivs av en "jonvind" - ett tyst men mäktigt jonflöde som produceras ombord på planet, och det genererar tillräckligt med dragkraft för att driva planet över en ihållande, stadig flygning.

Till skillnad från turbindrivna plan, flygplanet är inte beroende av fossila bränslen för att flyga. Och till skillnad från propellerdrivna drönare, den nya designen är helt tyst.

"Detta är den första någonsin pågående flygningen av ett plan utan rörliga delar i framdrivningssystemet, "säger Steven Barrett, docent i luftfart och astronautik vid MIT. "Detta har möjligen öppnat nya och outforskade möjligheter för flygplan som är tystare, mekaniskt enklare, och avger inte förbränningsutsläpp. "

Han förväntar sig att på kort sikt, sådana jonvindframdrivningssystem kan användas för att flyga mindre bullriga drönare. Längre ut, han föreställer sig jondrivning i kombination med mer konventionella förbränningssystem för att skapa mer bränsleeffektiva, hybridpassagerarflygplan och andra stora flygplan.

Barrett och hans team på MIT har publicerat sina resultat i tidningen Natur .

Hobbyhantverk

Barrett säger att inspirationen till lagets jonplan delvis kommer från film- och tv -serien, "Star Trek, "som han ivrigt tittade på som barn. Han drogs särskilt till de futuristiska färjorna som enkelt skummade genom luften, med till synes inga rörliga delar och knappt något ljud eller avgaser.

"Detta fick mig att tänka, på lång sikt, flygplan ska inte ha propellrar och turbiner, "Säger Barrett." De borde mer likna bussarna i Star Trek, 'som bara har en blå glöd och tyst glider. "

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

I åratal, elektroaodynamisk dragkraft har mest varit ett hobbyprojekt, och mönster har för det mesta begränsats till små, stationära "lyftare" bundna till stora spänningsmatningar som skapar precis tillräckligt med vind för att ett litet fartyg ska sväva en kort stund i luften. Det antogs till stor del att det skulle vara omöjligt att producera tillräckligt med jonvind för att driva ett större flygplan över en ihållande flygning.

"Det var en sömnlös natt på ett hotell när jag var jetlaggad, och jag tänkte på detta och började leta efter sätt att göra det, "minns han." Jag gjorde några bakomliggande beräkningar och fann att, ja, det kan bli ett livskraftigt framdrivningssystem, "Säger Barrett." Och det visade sig att det krävdes många års arbete för att komma från det till en första testflygning. "

Joner flyger

Lagets slutliga design liknar en stor, lättflygplan. Flygplanet, som väger cirka 5 pund och har ett 5-meters vingspann, bär en rad tunna trådar, som är spända som horisontellt staket längs och under den främre änden av planetens vinge. Trådarna fungerar som positivt laddade elektroder, medan på liknande sätt anordnade tjockare trådar, springer längs den bakre änden av planetens vinge, fungerar som negativa elektroder.

Flygplanets flygplan rymmer en bunt litiumpolymerbatterier. Barretts jonplansteam inkluderade medlemmar av professor David Perreaults Power Electronics Research Group i Research Laboratory of Electronics, som konstruerade en strömförsörjning som skulle omvandla batteriernas effekt till en tillräckligt hög spänning för att driva planet. På det här sättet, batterierna levererar el vid 40, 000 volt för att ladda kablarna positivt via en lättkonverterare.

När kablarna är spända, de verkar för att attrahera och ta bort negativt laddade elektroner från de omgivande luftmolekylerna, som en gigantisk magnet som lockar till sig järnspån. De luftmolekyler som lämnas kvar är nyjoniserade, och lockas i sin tur till de negativt laddade elektroderna på baksidan av planet.

När det nybildade molnet av joner strömmar mot de negativt laddade trådarna, varje jon kolliderar miljontals gånger med andra luftmolekyler, skapa en dragkraft som driver flygplanet framåt.

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

"Detta var det enklaste möjliga planet vi kunde designa som kunde bevisa konceptet att ett jonplan kunde flyga, "Säger Barrett." Det är fortfarande en bit bort från ett flygplan som kan utföra ett användbart uppdrag. Det måste bli mer effektivt, flyga längre, och flyga utanför. "

Barretts team arbetar med att öka effektiviteten i deras design, att producera mer jonvind med mindre spänning. Forskarna hoppas också kunna öka designens dragkraftstäthet - mängden dragkraft som genereras per ytenhet. För närvarande, att flyga lagets lätta plan kräver ett stort område av elektroder, som i huvudsak utgör planet framdrivningssystem. Helst, Barrett skulle vilja designa ett flygplan utan synligt framdrivningssystem eller separata kontrollytor som roder och hissar.

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