Naar de content

Vliegen op de wind van ionen

MIT met toestemming

Wetenschappers laten voor het eerst een vliegtuig met een ionenmotor vliegen. Muisstil en aangedreven door een ‘wind’ van geladen deeltjes in de lucht, doorkruist het vaartuig een gymzaal.

Een nieuwe vorm van vliegkunst. Alsof geduwd door een onzichtbare hand, overbrugt het vaartuig met een spanwijdte van ruim vijf meter geruisloos het testparcours van ruim veertig meter. Na de lancering met een veer houdt een stroom van geladen deeltjes (ionen) het vliegtuig in de lucht. Het is de eerste keer dat dit lukt. De ionen worden geproduceerd en versneld door een netwerk van stroomdraden onder de vleugels. Het vliegtuig gebruikt dus geen bewegende onderdelen zoals propellers of fans zoals in moderne vliegtuigmotoren.

Het ontwerp van het vliegtuig, horizontale staven onder de vleugel creëren ionen en drijven ze naar achter.

 MIT met toestemming

Net als vrijwel ieder pionierend vliegtuig heeft het gevaarte een nogal minimalistisch ontwerp. De aandrijving valt nauwelijks op. In de neus van het onbemande vliegtuigje zitten de batterijen en een speciaal ontwikkelde lichtgewicht spanningsomzetter die de benodigde 40.000 volt voor de aandrijving produceert. De ontwikkelaars van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) in de Verenigde Staten zijn enthousiast, maar het is de vraag of dit vliegtuig de proeffase snel ontstijgt. De efficiëntie is met 2,6 procent een fractie van de prestaties van moderne vliegtuigmotoren. Het onderzoek is deze week in Nature gepubliceerd.

Een van de vluchten van het door een ionenmotor aangedreven toestel.

Een blikje cola

Met een ogenschijnlijk simpel ontwerp begeeft het vliegtuig zich aan de rand van wat technisch mogelijk is. De onderzoekers begonnen met flink wat rekenwerk om ideale vorm en grootte te bepalen voor een vliegtuig dat met een zeer geringe aandrijfkracht in de lucht blijft. Ze kwamen op dit model met een spanwijdte van ruim vijf meter een gewicht van slechts 2,5 kilogram.

De ionenmotor bestaat uit een aantal aerodynamische metalen staven met een flinke elektrische spanning. Het elektrische veld dat om zo’n staaf ontstaat, trekt vrije negatief geladen elektronen in de lucht aan. Tijdens hun beweging richting de staaf botsen de elektronen op moleculen in de lucht en creëren nog meer elektronen, en evenveel positief geladen ionen. Die ionen bewegen vervolgens onder invloed van het hetzelfde elektrische veld in tegenovergestelde richting, naar een tweede staaf die aan de achterkant van de vleugel hangt. Deze stroom van geladen deeltjes drijft het vliegtuig aan.

Dwarsdoorsnede van de ionenmotor, bestaande uit twee staven met daarop een elektrische spanning. Negatief geladen elektron zijn blauw, positief geladen ionen zijn rood.

 Roel van der Heijden voor NEMO Kennislink/Brion VIBBER via CC BY-SA 3.0

Gekoppeld aan een energiebron van 600 watt produceert de motor op deze manier een kracht van drie newton. Ter vergelijking: dat is gelijk aan de zwaartekracht van ruim 300 gram op aarde, een blikje cola. De efficiëntie van de motor komt daarmee op 2,6 procent.

Stille motor

Ionenmotoren van een ander kaliber worden nu al in de ruimtevaart toegepast, bijvoorbeeld in de recent naar Mercurius gelanceerde ruimtemissie BepiColombo. De onderzoekers van MIT geloven dat de techniek ook op aarde nuttig kan zijn. Bij veel hogere snelheden zou de motor een stuk efficiënter zijn. Bovendien kan het bijdragen aan de ontwikkeling van stillere vliegtuigen: de motor maakt nauwelijks geluid.

Leo Veldhuis is hoogleraar Flight Performance and Propulsion aan de Technische Universiteit Delft en vindt het een aardige ontdekking, hoewel hij benadrukt dat het gebruikte principe niet nieuw is. “Dat je met ionen een geringe voortstuwing kan genereren is algemeen bekend”, zegt hij. “Het voortstuwingsrendement van 2,6 procent is niet erg indrukwekkend, als je het vergelijkt met een propeller die wel 92 procent haalt. Deze ionenmotor levert niet genoeg kracht om grotere vliegtuigen aan te drijven.”

Bron
ReactiesReageer