Desde que el primer avión emprendió el vuelo hace más de 100 años, prácticamente todas las aeronaves que surcan el cielo han volado con la ayuda de piezas móviles, como hélices, álabes de turbina y ventiladores, que funcionan mediante la combustión de combustibles fósiles o con baterías que producen un zumbido persistente y agudo.
Ahora, ingenieros del MIT han construido y volado el primer avión sin piezas móviles. En lugar de hélices o turbinas, la aeronave ligera se impulsa mediante un “viento iónico”, un flujo silencioso pero potente de iones que se genera a bordo del avión y que produce empuje suficiente para propulsarlo en un vuelo sostenido y estable.
A diferencia de los aviones con turbinas, esta aeronave no depende de combustibles fósiles para volar. Y, a diferencia de los drones con hélices, el nuevo diseño es completamente silencioso.
“Este es el primer vuelo sostenido de un avión sin piezas móviles en su sistema de propulsión”, afirma Steven Barrett, profesor asociado de Aeronáutica y Astronáutica del MIT. “Esto ha abierto posiblemente nuevas posibilidades, inexploradas hasta ahora, para aeronaves más silenciosas, mecánicamente más sencillas y que no emiten gases de combustión.”
Prevé que, a corto plazo, estos sistemas de propulsión por viento iónico podrían utilizarse para volar drones menos ruidosos. Más adelante, imagina la propulsión iónica combinada con sistemas de combustión más convencionales para crear aviones de pasajeros híbridos y otras aeronaves grandes más eficientes en el consumo de combustible.
Barrett y su equipo del MIT han publicado hoy sus resultados en la revista Nature.
Manualidades
Barrett explica que la inspiración para el avión iónico de su equipo procede, en parte, de la película y la serie de televisión “Star Trek”, que siguió con gran entusiasmo de niño. Le atraían especialmente las futuristas lanzaderas que se deslizaban por el aire sin esfuerzo, aparentemente sin piezas móviles y con muy poco ruido o escape.
“Esto me hizo pensar que, en el futuro a largo plazo, los aviones no deberían tener hélices ni turbinas”, dice Barrett. “Deberían parecerse más a las lanzaderas de “Star Trek,’ que solo tienen un resplandor azul y se deslizan en silencio.”
Hace unos nueve años, Barrett empezó a buscar la manera de diseñar un sistema de propulsión para aviones sin piezas móviles. Finalmente dio con el “viento iónico”, también conocido como empuje electroaerodinámico, un principio físico identificado por primera vez en la década de 1920 que describe un viento, o empuje, que puede producirse cuando una corriente pasa entre un electrodo fino y otro grueso. Si se aplica un voltaje suficiente, el aire situado entre los electrodos puede generar empuje suficiente para propulsar una aeronave pequeña.
Durante años, el empuje electroaerodinámico ha sido sobre todo un proyecto de aficionados, y los diseños se han limitado en su mayoría a pequeños “elevadores” de sobremesa conectados a grandes fuentes de voltaje, que generan el viento justo para que un pequeño aparato flote brevemente en el aire. Se asumía en gran medida que sería imposible producir viento iónico suficiente para propulsar una aeronave más grande en un vuelo sostenido.
“Fue una noche de insomnio en un hotel, con el desfase horario, y estuve pensando en ello y empecé a buscar formas de hacerlo”, recuerda. “Hice algunos cálculos aproximados y descubrí que, en efecto, podría llegar a ser un sistema de propulsión viable”, afirma Barrett. “Y resultó que necesitaba muchos años de trabajo para pasar de ahí a un primer vuelo de prueba.”
Los iones emprenden el vuelo
El diseño final del equipo se asemeja a un gran planeador ligero. La aeronave, que pesa unas 5 libras y tiene una envergadura de 5 metros, lleva una serie de hilos finos, tendidos como una valla horizontal a lo largo y por debajo de la parte delantera del ala del avión. Los hilos actúan como electrodos con carga positiva, mientras que otros hilos más gruesos, dispuestos de forma similar a lo largo de la parte trasera del ala, funcionan como electrodos negativos.
El fuselaje del avión alberga un conjunto de baterías de polímero de litio. El equipo del avión iónico de Barrett incluyó a miembros del Grupo de Investigación en Electrónica de Potencia del profesor David Perreault, del Laboratorio de Investigación en Electrónica, quienes diseñaron una fuente de alimentación que convierte la salida de las baterías en un voltaje lo bastante alto para propulsar el avión. De este modo, las baterías suministran electricidad a 40 000 voltios para cargar positivamente los hilos a través de un convertidor de potencia ligero.
Una vez energizados, los hilos atraen y separan de las moléculas de aire circundantes los electrones con carga negativa, como un gran imán que atrae limaduras de hierro. Las moléculas de aire que quedan se ionizan de nuevo y, a su vez, son atraídas por los electrodos con carga negativa situados en la parte trasera del avión.
A medida que la nube de iones recién formada fluye hacia los hilos con carga negativa, cada ion colisiona millones de veces con otras moléculas de aire, generando un empuje que impulsa la aeronave hacia delante.
El equipo, que también incluyó a los miembros del Laboratorio Lincoln Thomas Sebastian y Mark Woolston, hizo volar el avión en varias pruebas de vuelo por el gimnasio del Centro Atlético duPont del MIT, el mayor espacio interior que encontraron para realizar sus experimentos. El equipo hizo volar el avión a lo largo de 60 metros (la distancia máxima dentro del gimnasio) y comprobó que el avión produjo empuje iónico suficiente para mantener el vuelo durante todo el trayecto. Repitieron el vuelo 10 veces, con un rendimiento similar.
“Este era el avión más sencillo que podíamos diseñar para demostrar que un avión iónico podía volar”, afirma Barrett. “Todavía queda cierto camino para llegar a una aeronave capaz de realizar una misión útil. Debe ser más eficiente, volar durante más tiempo y volar en exteriores.”
El nuevo diseño supone un “gran paso” para demostrar la viabilidad de la propulsión por viento iónico, según Franck Plouraboue, investigador sénior del Instituto de Mecánica de Fluidos de Toulouse (Francia), quien señala que hasta ahora los investigadores no habían logrado hacer volar nada más pesado que unos pocos gramos.
“La solidez de los resultados es una prueba directa de que el vuelo sostenido de un dron con viento iónico es viable”, afirma Plouraboue, que no participó en la investigación. “[Fuera de las aplicaciones con drones], es difícil deducir cuánto podría influir esto en la propulsión de aeronaves en el futuro. No obstante, esto no es realmente una debilidad, sino una oportunidad para el progreso futuro, en un campo que ahora va a despegar.”
El equipo de Barrett trabaja para aumentar la eficiencia de su diseño, con el fin de producir más viento iónico con menos voltaje. Los investigadores también esperan aumentar la densidad de empuje del diseño, es decir, la cantidad de empuje generado por unidad de superficie. Actualmente, hacer volar el avión ligero del equipo requiere una gran superficie de electrodos, que en esencia constituye el sistema de propulsión del avión. Idealmente, Barrett desearía diseñar una aeronave sin un sistema de propulsión visible ni superficies de control independientes, como timones y alerones de profundidad.
“Llegar hasta aquí nos ha llevado mucho tiempo”, afirma Barrett. “Pasar del principio básico a algo que realmente vuela ha sido un largo recorrido de caracterización de la física, seguido del diseño y de hacer que todo funcionara. Ahora, las posibilidades de este tipo de sistema de propulsión son viables.”
Esta investigación contó, en parte, con el respaldo de la línea de Sistemas Autónomos del Laboratorio Lincoln del MIT, el Programa de Investigación Professor Amar G. Bose y la Alianza de Singapur y el MIT para la Investigación y la Tecnología (SMART). El trabajo también fue financiado a través de las cátedras de desarrollo profesional Charles Stark Draper y Leonardo del MIT.
