یک هواپیمای جدید با استفاده از مولکول‌های باردار، نه پروانه و توربین، پرواز می‌کند

چکیده:
 
هواپیماهای سبک وزنی با نیروی پیش رانش گرفته شده از باد یونی ساخته و به صورت موفقیت آمیزی در ارتفاع کم تست شده‌اند. در آنها از موتور و پروانه‌های پر سر و صدا استفاده نمی‌شود بلکه نیروی عکس العمل باد یونیِ ایجاد شده توسط باتری‌هایی هواپیما را حرکت می‌دهد.
 
تعداد کلمات مقاله:  1051    /     زمان تخمینی مطالعه:  5 دقیقه

 یک نمونه اولیه هواپیمای جدیداً طراحی شده بدون پروانه‌ها و توربین‌های  پر سر و صدا کار می‌کند.

در عوض، توسط باد یونی نیرو می‌گیرد: مولکول‌های باردار شده  یا یون‌ها، در یک جهت جریان می‌یابند و هواپیما را به طرف دیگر هل می‌دهند. این سازمان دهی باعث می‌شود که هواپیما تقریباً ساکت باشد. چنین هواپیماهای ساکتی می‌توانند برای نظارت بر شرایط محیطی یا گرفتن عکسهای هوایی مفید باشند بدون این که مزاحم زیستگاه‌های طبیعی در زیر خود شوند.
محققان چندی قبل گزارش دادند که این هواپیما اولین هواپیما در نوع خود است که به این روش حرکت می‌کند. در 10 پرواز آزمایشی داخلی، این هواپیمای کوچک، که وزن تقریبی یک سگ کوچک را داشت، حدود 40 تا 45 متر را در حدود 10 ثانیه در ارتفاع ثابت پرواز کرد، حتی در حالی که ارتفاع پروازش در طول یک پرواز در حدود نیم متر بود.
اکثر هواپیماها برای حرکت کردن به قطعات چرخشی متکی هستند. در برخی، یک موتور پروانه‌ای را می‌چرخاند که هواپیما را جلو می‌برد. یا یک توربین با یک فن چرخشی هوا را می‌مکد و سپس جتهای گاز را به بیرون پرتاب می‌کند که هواپیما را به جلو هدایت می‌کند.
در عوض، باد یونی با یک میدان الکتریکی ولتاژ بالا در اطراف یک سیم باردار مثبت، که به عنوان یک فرستنده شناخته می‌شود، تولید می‌شود. الکتریسیته که اغلب از طریق باتری تامین می شود، باعث می شود که الکترون‌ها در هوا با اتم‌ها و مولکول‌ها برخورد کنند و به این طریق الکترون‌های دیگری را آزاد کنند. این باعث ایجاد ازدحامی از مولکول‌های دارای بار مثبت در هوای اطراف امیتر می‌شود که به سمت یک سیم دارای بار منفی کشیده می‌شوند. حرکت مولکول‌ها بین دو سیم، که همان باد یونی است، می‌تواند یک هواپیما را جلو ببرد. طرح فعلی از چهار مجموعه از این سیم‌ها استفاده می‌کند.

 

مسیر پرواز.  دانشمندان یک هواپیمای جدید که توسط باد یونی به حرکت در می‌آید را آزمایش کردند. این عکسِ زمان گذر نشان می‌دهد که هواپیما می‌تواند در ارتفاع یک متر برای ده‌ها متر طول مسیر پرواز کند.

یون‌های متحرک همچنین کمک کرده‌اند که چیزهای دیگری مانند روبات‌های هواپیماهای بدون خلبان کوچک از میان هوا پرواز کنند. اما عقل متعارف قائل به این بود که استفاده از روشی برای حرکت دادن چیزی به بزرگی یک هواپیما از میان هوا امکان پذیر نیست، زیرا اضافه کردن کافیِ قدرت باتری برای حرکت دادنِ این چنینیِ یک هواپیما باعث می‌شود که هواپیما را سنگین‌تر از آن کند که بتوان آن را در ارتفاع نگه داشت. (موتورهای یونی که فضا پیما را در خلاءِ فضا حرکت می‌دهند به طریق بسیار متفاوتی عمل می‌کنند و استفاده از آنها در هوا کاربردی نیست.) تلاش برای ساخت هواپیماهایی با موتورهای یونی در دهه 1960 چندان موفق نبود.
این هواپیما تقریباً خاموش است و وزن آن به اندازه یک سگ کوچک است.
استیون بارت، پژوهشگر هوافضا در MIT، به گونه‌ای دیگر فکر می‌کرد. محاسبات اولیه او پیشنهاد می‌دادند که با طراحی مناسب هواپیما و باتری‌هایی به اندازه کافی سبک، ممکن است پرواز را عملی کرد. بنابراین او و تیمش از معادلات ریاضی برای بهینه سازی ویژگی‌های مختلف هواپیما استفاده می‌کنند:  شکل، مواد، منبع تغذیه - و پیش بینی نحوه پرواز برای هر ورژن. سپس محققان نمونه‌هایی از طرح‌های امیدوارانه را ساختند و هواپیماها را در مسیر داخلی MIT آزمایش کردند در حالی که آنها را از طریق یک سیستم پرش با طناب راه اندازی می‌کردند.
بارت می گوید: "مدل‌ها و واقعیت ساخت و ساز همیشه کاملا بر هم منطبق نیستند"، بنابراین پیدا کردن طراحی مناسب تلاش زیادی را می‌طلبید. اما در مطالعه جدید، او و همکارانش موفقیتی را گزارش می‌دهند: 10 پرواز موفق هواپیمایی که مجموع طول بال‌های آن 5 متر و وزن آن کمتر از 5ر2 کیلوگرم است.
تیم بارت تنها تیمی نیست که فکر می‌کرد روش باد یونی می‌تواند باعث تِیک آف هواپیما شود.. Franck Plouraboue از موسسه مکانیک سیالات تولوز در فرانسه، که بخشی از تحقیق نیست، می‌گوید: بر اساس محاسبات انجام شده در آزمایشگاه خود، "ما مطمئن بودیم که این کار را می توان انجام داد." "در اینجا آنها آن را انجام داده‌اند - فوق العاده است!"
Plouraboue می‌گوید: این یک نمونه از نیروی الکتریکی توزیع شده است که به جای داشتن یک منبع متمرکز، بخش‌های مختلف نیروی محرکه هواپیما را گسترش می‌دهد. این در حال حاضر یک بحث داغ در تحقیقات هواپیما است. به عنوان مثال، هواپیمای ماکسول X-57 ناسا، دارای 14 موتور باتری دار در امتداد بال‌های خود است. Plouraboue می گوید، افزایش تعداد پروانه‌ها باعث می‌شود که هواپیما با همان مقدار انرژی مسافت بیشتری را طی کند، اما همچنین باعث افزایش وزن هواپیما می‌شود و نیروی لازم برای کشیدن آن را افزایش می‌دهد. با استفاده از نیروی پیش رانش باد یونی، تعداد سیمها افزایش می‌یابد ولی عملاً باعث افزایش قابل ملاحظه‌ی قدرت لازم برای کشیدن هواپیما نمی‌شود.
هواپیما هنوز نیاز به برخی از موارد بهبود امکانات قبل از آماده شدن برای دنیای واقعی دارد: طولانی ترین پرواز آن تنها 12 ثانیه بود. و در حالی که این هواپیما می‌تواند پروازی یکنواخت را برای یک زمان کوتاه در حال پرواز حفظ کند، اما نمی‌تواند با استفاده از باد یونی از زمین کنده شود.
دانیل درو، یک پژوهشگر آیرودینامیک در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، که در این کار دخیل نبوده است، پیش بینی کرده است که حتی با بهینه سازی‌ها، هواپیمای دارای نیروی پیش رانش یونی جایگاهی به عنوان هواپیمای مسافری پیدا نخواهد کرد. درو روبات‌های پرنده‌ای طراحی کرده است که با استفاده از نیروی پیش رانش یونی پرواز می‌کنند. احتمالا امکان ساخت چنین هواپیمایی در مقیاس چیزی به بزرگی یک بویینگ 747 وجود ندارد – هر چه هواپیما بزرگتر شود بهره‌وری آن از لحاظ تجاری کاهش می‌یابد. اما در نزدیکی سطح زمین، این روی کرد می‌تواند برای هواپیماهای بدون سرنشین کوچک مفید باشد.
 
برگرفته از سایت Science News