مستوحاة من MDB، وهي طائرة بدون أجزاء متحركة وتوهج أيوني أزرق

يشرح أحد الباحثين الذين شاركوا في تطوير المستوى الصامت الفيزياء الكامنة وراءه

المؤلف: ستيف باريت، أستاذ الملاحة الجوية والفضائية، معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا

منذ اختراعها منذ أكثر من قرن من الزمان، تتحرك الطائرات في الهواء عن طريق تدوير أسطح المراوح أو التوربينات. ولكن من خلال مشاهدة أفلام الخيال العلمي مثل سلسلة Star Wars، وStar Trek، وBack to the Future، تخيلت أن أنظمة الدفع في المستقبل ستكون هادئة وساكنة - ربما مع نوع من التوهج الأزرق والضوضاء، ولكن بدون أجزاء متحركة، وبدون تيار من التلوث يخرج من الخلف.

إنه غير موجود بعد، ولكن هناك مبدأ فيزيائي واحد على الأقل يمكن أن يكون واعدًا. منذ حوالي تسع سنوات، بدأت البحث في استخدام الرياح الأيونية - تدفقات الجسيمات المشحونة عبر الهواء - كوسيلة لدفع الطيران. واستنادًا إلى عقود من الأبحاث والتجارب التي أجراها أكاديميون وهواة ومحترفون وطلاب المدارس الثانوية الذين يدرسون العلوم، قامت مجموعتي البحثية مؤخرًا بالتحليق بطائرة شبه صامتة دون أي أجزاء متحركة.

تزن الطائرة حوالي 2.5 كجم ويبلغ طول جناحيها 5 أمتار، وتحلق حوالي 60 مترًا، لذا فهي مسافة طويلة لنقل البضائع أو الأشخاص بشكل فعال لمسافات طويلة. لكننا أثبتنا أنه من الممكن الطيران بمركبة ثقيلة من الجو باستخدام الرياح الأيونية. كما أنها تتمتع بتوهج يمكنك رؤيته في الظلام.

العودة إلى الدراسات المهملة

العملية التي تستخدمها طائرتنا، والتي تسمى رسميًا الدفع الديناميكي الهوائي، تمت دراستها بالفعل في العشرينيات من القرن الماضي من قبل عالم غريب الأطوار اعتقد أنه اكتشف الجاذبية المضادة - وهو ما لم يكن الحال بالطبع. في ستينيات القرن العشرين، استكشف مهندسو الفضاء الجوي استخدامها لدفع الطيران، لكنهم خلصوا إلى أن ذلك سيكون مستحيلًا مع فهم الرياح الأيونية والتكنولوجيا المتاحة في ذلك الوقت.

ولكن في الماضي القريب، قام عدد كبير من الهواة - وطلاب المدارس الثانوية الذين يقومون بمشاريع لدروس العلوم - ببناء أجهزة دفع كهربائية هوائية صغيرة تشير إلى أنها ربما لا تزال تعمل. كان عملهم مهمًا جدًا لفترة العمل المبكرة لفريقي. أردنا تحسين عملهم، وذلك بشكل رئيسي من خلال إجراء سلسلة كبيرة من التجارب لمعرفة كيفية تحسين تصميم المراوح الكهربائية الهوائية.

تحريك الهواء وليس أجزاء الطائرة

من السهل نسبيًا شرح وتطبيق الفيزياء التي يقوم عليها الدفع الكهروديناميكي الهوائي، على الرغم من أن بعض هذه الفيزياء ليست بسيطة.
نحن نستخدم سلكًا رفيعًا مشحونًا بجهد كهربائي يبلغ +20,000 باستخدام محول طاقة خفيف الوزن يستمد طاقته من بطارية ليثيوم بوليمر. تسمى الأسلاك الرفيعة بالبواعث، وهي أقرب إلى مقدمة الطائرة. يكون المجال الكهربائي حول هذه الباعثات قويًا جدًا لدرجة أن الهواء يتأين - حيث تفقد جزيئات النيتروجين المحايدة إلكترونًا وتتحول إلى أيونات نيتروجين ذات شحنة موجبة.

وفي أسفل الطائرة، نضع جنيحًا - مثل جناح صغير - تكون حافته الأمامية موصلة للكهرباء ومشحونة بجهد كهربائي يصل إلى -20,000 بواسطة نفس المحول الكهربائي. وهذا ما يسمى المتلقي. المجمع يجذب الأيونات الموجبة. وعندما تتدفق الأيونات من الباعث إلى المجمع، فإنها تصطدم بجزيئات الهواء غير المشحونة، مسببة ما يسمى بالرياح الأيونية التي تتدفق بين الباعثات والمجمعات، مما يدفع الطائرة إلى الأمام. تحل هذه الرياح الأيونية محل تدفق الهواء الذي قد يولده المحرك النفاث أو المروحة.

بدأت صغيرة

لقد ترأست دراسة بحثت في كيفية عمل هذا النوع من الدفع فعليًا، وطورت معرفة تفصيلية عن مدى كفاءته وقوته.
لقد عملت أنا وفريقي أيضًا مع مهندسين كهربائيين لتطوير الإلكترونيات اللازمة لتحويل خرج البطارية إلى عشرات الآلاف من الفولتات اللازمة لإنشاء الرياح الأيونية. تمكن الفريق من إنشاء محول طاقة أخف بكثير من أي محول كان موجودًا من قبل. كان هذا الجهاز صغيرًا بما يكفي ليكون عمليًا في تصميم الطائرة، والتي تمكنا في النهاية من بنائها والتحليق بها.

عرض توضيحي للطريقة التي تعمل بها طائرة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا

رحلتنا الأولى، بالطبع، بعيدة كل البعد عن طيران الأشخاص. نحن نعمل بالفعل على جعل هذا النوع من الدفع أكثر كفاءة ولديه القدرة على حمل أحمال أكبر. التطبيقات التجارية الأولى، على افتراض أننا وصلنا إلى هذا الحد، يمكن أن تكون في إنتاج طائرات بدون طيار هادئة ذات أجنحة ثابتة، بما في ذلك منصات المراقبة البيئية والاتصالات.
وبالنظر إلى المستقبل البعيد، نأمل أن يتم استخدامه في الطائرات الأكبر حجمًا لتقليل الضوضاء وحتى السماح للغلاف الخارجي للطائرة بالمساعدة في توليد الدفع، بدلاً من المحركات أو زيادة قوتها. قد يكون من الممكن أيضًا تصغير المعدات الكهروديناميكية الهوائية، مما يتيح مجموعة جديدة من الطائرات بدون طيار النانوية. وقد يعتقد الكثيرون أن هذه الاحتمالات غير محتملة أو حتى مستحيلة. ولكن هذا ما فكر فيه المهندسون في الستينيات حول ما نقوم به اليوم بالفعل.

إلى المقال على موقع المحادثة