První letoun bez pohyblivých součástek létá na iontový vítr  
Inženýři MIT mají rádi Star Trek. Shlédli se v iontovém pohonu vesmírných korábů a postavili revoluční letoun, který využívá elektroaerodynamický tah. Unikátní pohon by se mohl uplatnit ve vývoji bezhlučných dronů nebo třeba hybridních letounů, které šetří peníze, mechaniky i životní prostředí.
Letoun na iontový vítr. Kredit: Christine Y. He / MIT.
Letoun na iontový vítr. Kredit: Christine Y. He / MIT.

Od chvíle, kdy více než před 100 lety vzlétl první letoun v historii, zatím každé letadlo s pohonem létalo s nějakými pohyblivými součástkami. Jejich vrtule, turbíny nebo trysky přitom obvykle pohánělo fosilní palivo nebo elektrický proud z baterií. Teď se ale objevila nová technologie, která žádné pohyblivé součástky v pohonu nepotřebuje.

 

Steven Barrett. Kredit: MIT.
Steven Barrett. Kredit: MIT.

Inženýři Massachusettského technologického institutu (MIT) postavili stroj, který nepohání žádné vrtule ani trysky. Jejich lehký letoun létá pomocí „iontového větru“, nenápadného, ale účinného proudu iontů, které vznikají přímo na letounu. Tento iontový vítr přitom vytváří dostatečný vztlak na to, aby letoun letěl stabilním letem. Takový stroj pochopitelně nepotřebuje žádná fosilní paliva a za letu je naprosto tichý. Jejich design v těchto dnech publikoval časopis Nature.

 

Šéf týmu vývojářů Steven Barrett tvrdí, že jde o první stroj v historii, který je schopný stabilního letu, má vlastní pohon a přitom v pohonu nemá ani jednu pohyblivou část. Podle Barretta tato technologie otevírá doposud neprobádaný prostor a možnosti pro vývoj letounů, které budou tiché, mechanicky relativně jednoduché a jako bonus nevytvářejí žádné emise skleníkových plynů.
Barrett očekává, že by tento typ pohonu mohly v dohledné době využívat drony, které budou tím pádem míně hlučné. Rovněž předpokládá, že bude možné spojit iontový pohon s klasickým pohonem dopravních i jiných větších letadel a vytvořit tím letadlo s hybridním pohonem.

 

Nový letoun. Kredit: MIT.
Nový letoun. Kredit: MIT.

Jak to v podobným případech bývá, Barrett nezastírá inspiraci ze science-fiction. Což ukazuje, jak strašně důležité je vést děti k četbě „brakové“ literatury či sledování filmů a seriálů podobných žánrů. V tomto případě Barretta a jeho tým oslovil Star Trek. Ze svých mladých let si stále ještě dobře vzpomínají na futuristické hvězdné koráby, které ladně létají vesmírem i atmosférami planet, nepochybně téměř bezhlučně a bez chrlení spalin. Barretta to přivedlo k myšlence, že by v budoucnosti letouny třeba nemusely mít hlučné vrtule nebo trysky. Tak jako ve Star Treku by z takových strojů vycházel jen modravý a tichý třpyt iontů.


Iontový letoun Barrettova týmu je výsledkem téměř desetiletého úsilí. Nejprve hledali různé možnost, jak pohánět letoun bez pohyblivých částí. Nakonec si vybrali iontový vítr, čili jev, kterému se říká elektroaerodynamický tah. Ten se objevuje v případě, když vzduchem mezi tenkou a tlustší elektrodou prochází elektrický proud o dostatečném napětí. Tehdy vzniká proud iontů a jeho tah může pohánět letoun. Zmíněný jev je známý už od dvacátých let 20. století, ale doposud se o něj zajímali jenom kutilové a nadšenci.

 

Nový stroj má rozpětí křídel 5 metrů a přitom je velice lehký, váží jen asi 2 a čtvrt kilogramu. Je postavený tak, že soustava tenkých drátků u předku křídel funguje jako anoda a podobně uspořádané tlustší drátky na konci křídel hrají roli katody. Letoun má na palubě lithium-polymerové baterie, které mu dodávají proud o napětí 40 tisíc voltů. Katody letounu přitahují elektrony z molekul vzduchu, přičemž vzniká oblak ionizovaných částic. Tento oblak se pohybuje směrem k anodám a ionty se přitom mnohokrát srážejí s dalšími molekulami vzduchu. Přitom vzniká tah, který dostačuje k pohonu takto postaveného letounu.
První experimenty ukázaly, že letoun na iontový vítr létá, a že mu to jde dobře. Barrettův tým teď svou technologii intenzivně vylepšuje. Brzy by mělo být jasnější, co všechno revoluční pohon zvládne a jaké by mohl mít praktické aplikace. Budeme se těšit na další novinky.

Video: Ion drive: The first flight


Literatura
MIT News 21. 11. 2018, Nature 563: 532–535.

Datum: 23.11.2018
Tisk článku

Související články:

Je možné se dostat na Mars za 3 dny bez červí díry?     Autor: Stanislav Mihulka (02.03.2016)
Kontroverzní EM pohon: názor experta na pokročilé pohonné systémy     Autor: Stanislav Mihulka (10.12.2016)
Budeme létat skrz červí díry nebo s warpovým pohonem?     Autor: Vladimír Wagner (29.09.2017)
ESA poprvé na světě spustila elektrický pohon nasávající vzduch     Autor: Stanislav Mihulka (07.03.2018)



Diskuze:

Lukas Kohout,2018-11-27 12:19:22

"prochází elektrický proud o dostatečném napětí"

Když někdo napíše něco takového, tak bych jej poslal znovu do školy.

Tak znovu, jednotkou proudu je Ampér.
Napětí (V) je elektrický potenciál mezi katodou a anodou (tady mezi dvěma mřížkami).
A napětí nikam neprochází, obvodem prochází proud (A).

Vysoké napětí je tam proto aby se překonal izolační odpor vzduchu a umožnilo se proudění iontů mezi mřížkami => obvodem začne protékat proud.

Odpovědět

Možnosti pohonu iontovým větrem zajímaly DARPA i NSA již dávno

Josef Hrncirik,2018-11-26 19:25:56

Protože možnosti nejsou prakticky zajímavé, byla 41 s zpráva NASA/TM-2009-215822 odtajněna. V abstraktu jasně sdělují, že podíl tah/příkon může být zvýšen z dříve očekávaných 5 N/kW až k 50 N/kW, ale na úkor nutnosti zvýšit napětí a nadproporcionálně prodloužit vzdálenost mezi elektrodami, což cede ke snížení tahu.
Možné parametry pohonu iontovým větrem klamavým způsobem porovnávají s poměrem příkon/tah pro prototyp vrtulového stroje Helios. Jeho tah prý byl 500 N /21 kW je 24 N/kW. Jen zdánlivě je to cca totéž co pro pohon iontovým větrem. Letěl rychlostí cca 20 km/hod. Aerodynamická ztráta 21 kW při rychlosti 20 km/h by překonávala odpor 21000*36000/20000 = však cca 3800 N, takže klamavý manévr se nepovedl a vrtulový pohon měl vysokých cca 180 N/kW (určitě vrtule neměly "účinnost jen 500/3800). Poměr tah/čelný průřez ? vrtule či stroj? prý byl cca 4,5 N/m2 a z toho prý plyne 111 m2 ? čeho (asi stroje; pro vrtule by to bylo mizerné. Porovnávají se stroje nebo pohony a je odpor stroje 500 či spíše 3800 N? Proč se přiliš zabývají průřezem pohonu, když je jen řídce vyplněn dráty. Píší, že řazení pohonů do série zmenší průřez. U 2 řídkých struktur je asi jedno, zda jsou paralelně či sériově.
Uvádí též parametry obvyklých vzducholodí jako celku stroje 20 N/kW a 20 N/m2 čelného průřezu a berou je jako postačující cíl. Nesestřelená vzducholoď ale není těžší vzduchu, na rozdíl od ev. dronu. Tah iontového větru jednoznačně klesá s atmosferickým tlakem. K ionizaci v okolí anody musí být v blízkosti hrotu gradient napětí cca 10 MV/m.
Tah / příkon = 1/(E.u); E = intenzita el. pole V/m; v = pohyblivost iontů 215 m2/MV.s v suchém vzduchu a 160 ve vlhkém. Tomu odpovídalo naměření cca 0,45 N/0,1 m2 průřezu větru a 21 N/kW. Rychlost větru či vztah neuvedeno.
Max. síla tahu F = proud * distance elektrod / u ; Přes to nejede vlak.
Zkoušeli anody hroty, břity, dráty. Hroty a břity výbojem erodují (nejspíš vždy vzniká EM smog). Poněkud lepší tah dávala ionizace hroty než dráty a nakonec poněkud podivně břity. S rostoucí vzdáleností anoda katoda při danem napětí proud prudce nelineárně klesal. Pulzní buzení výboje cca 1 kHz poněkud zlepšilo N/kWh. Zvětšit mezeru mezi elektrodami při 20N/kWh nad 200 mm vyžadovalo použít napětí cca 75 kV kdy již vzniká jiskrový výboj.
20 N/kW lze dosáhnout, ale nikoliv současně s 20 N/m2

Odpovědět


Re: Možnosti pohonu iontovým větrem zajímaly DARPA i NSA již dávno

Josef Hrncirik,2018-11-26 19:33:20

Odpovědět


Data monstra a vyhodnocení jsou 10.1038/s41586-018-0707-9

Josef Hrncirik,2018-11-26 22:35:58

let byl prý v režimu 6,3 N/kW; 3,2 N pro tah vyhodnoceno jen ze statické zkoušky vážením vertikálně zavěšeného éra s větry; 20s před katapultáží nabíhá VN na plný výkon 600W; Katapult z 0 m/s na 5 m/s na 5 m (2 s 600W); stále 600W; měřena výška, dráha; rychlost i při katapultáži; monstrum se do tunelu nevejde, dalo by se změřit na navijáku v tažném letu; v tunelu 0,5x 0,5 m měřili jen tah malé pohonné sekce či Pitotovou trubicí změnu impulzu do proudění při změně rychlosti letu (okolí); klouzavost stanovena jen jako tíha/odpor = 8;
Pohon prý měl 3 N/m2; drony prý mají též směšných cca 10 N/m2; moderní civilní letadla ale kN/m2; celkový průřez tahového kanálu 0,9 m2; 3,2 N/0,9 m2 = 3,6 Pa; při hustotě vzduchu cca 1,2 kg/m2 to dá rychlost větru 3 m/s.
Mechanická účinnost pohonu prý 2,5% se podezřele blíží teoretické hranici. Plocha křídla 1,5 m2; aerodynamických kolektorů cca též. Baterie 0,23 kg stačí na 90 s * 600W.
Měnič 0,5 kg. Křídlo 0,63 kg. elektrody 0,41 kg.

Odpovědět


Re: Možnosti pohonu iontovým větrem zajímaly DARPA i NSA již dávno

Josef Hrncirik,2018-11-26 19:33:21

Odpovědět


Re: Možnosti pohonu iontovým větrem zajímaly DARPA i NSA již dávno

Josef Hrncirik,2018-11-26 19:33:21

Odpovědět


Re: Možnosti pohonu iontovým větrem zajímaly DARPA i NSA již dávno

Josef Hrncirik,2018-11-26 19:33:22

Odpovědět


Re: Možnosti pohonu iontovým větrem zajímaly DARPA i NSA již dávno

Josef Hrncirik,2018-11-26 19:33:22

Odpovědět


Re: Možnosti pohonu iontovým větrem zajímaly DARPA i NSA již dávno

Josef Hrncirik,2018-11-26 19:33:22

Odpovědět

Nie je to celkom tak

Otakar Ištvánfy,2018-11-23 21:54:36

Náporový motor existuje už mnoho desaťročí.

Odpovědět

Oprava

Vratislav Pechanec,2018-11-23 14:34:43

Chtěl bych tímto opravit překlep v článku. Podle videa (od 1:47) je přední drátek anoda (kladná elektroda) a zadní je už správně katoda (záporná elektroda).

Jinak díky za zajímavý článek.

Další problém s rozšířením do "velkého letectví", kromě těch uvedených p. Hudečkem, vidím v zásahu bleskem. V případě dopravních letadel jsem někde četl, že každé je zasaženo bleskem minimálně jednou za rok.

Na druhou stranu pro malé UAV třeba se solárním pohonem by to mohlo být zajímavé.

Odpovědět

No konečně:-)

Pavel Hudecek,2018-11-23 12:32:36

Jako malej jsem si hrál s iontovými větráky, o pár desetiletí později s liftery a tehdy mě napadlo, že by to mnohem líp fungovalo jako klasický letadlo. Tak to konečně někdo udělal. :-)

Na druhou stranu, z toho co jsem zkusil i co jsem našel na netu, tak liftery mají příkon ve stovkách W při hmotnosti pár desítek gramů (proto lítaj jen na drátech). Když se vezme nejlevnější motorek+vrtulka z modelářských potřeb, tak při 180W v pohodě zvedne přes půl kila kolmo nahoru. A když na něj dáte dobrou vrtuli pro drony, bude při stejném příkonu tah několikrát větší.

Takže abych to shrnul:
+ malá hlučnost (ve skutečnosti to slabě šumí)
+ bez pohyblivých prvků
- tenké drátky volně ve vzduchu (snadné poškození). Ionizační elektroda bude bohužel vždycky jemná, jinak klesne tah, nebo vzroste příkon.
- VN volně na vzduchu =nelítá v dešti a vlhku
- velká spotřeba na jednotku tahu
+ vzhledem k rychlosti iontů velmi malý pokles tahu s rychlostí
+ snazší funkce za nižšího tlaku

Ty poslední dva + jsou jediné potenciálně užitečné vlastnosti. Jestli to někdo dotáhne na 1 km/s ve výšce 30 km, začne to být zajímavé.

Odpovědět


Re: No konečně:-)

Alexandr Kostka,2018-11-23 20:23:11

Vysoké napětí volně ve vzduchu neznemená jen, že to má problémy za deště a vysoké vlhkosti vzduchu. Také je to poměrně nebezpečné pro vše živé poblíž elektrod. A jestliže jsou baterie problém u elektromobilu, zde je to daleko horší. Nějak si nedovedu představit, kolik elektřiny by chtělo letadlo o váze pár tun. (tedy dovedu, hodně.. Nedovedu si představit, že jí tolik dodají baterie, a to ani na pár minut)

Odpovědět


Re: No konečně:-)

Petr Kotek,2018-11-24 12:33:55

Také to vyrábí velké množství ozónu. Což by ve stratosféře mohlo být plus. U země pak mínus.
Pokud by to bylo schopné létat ve stratosféře na solární články, tak by to tam mohlo vydržet dost dlouho.

Jinak, autora bych poprosil, aby nepletl elektrický proud (jednotka A - ampér) s elektrickým napětím (jednotka V - volt).

Odpovědět


Příroda (Nature) ráda experimentuje s prapodivnými nebezpečnými monstry

Josef Hrncirik,2018-11-24 20:04:24

V článku: létání s iontovými větry a v upoutávkách na něj se však nechtěně provalily určitá fakta.
Monstrum bylo klasicky jako cca Pterodactylus? nebo Kamikadze startováno z katapultu. Nebylo však přetížené; měrnou zátěž křídel asi neznali, určitě nezmínili.
Rychlostí 4,8 m/s letělo pouze 10 s prý dráhu cca 60 m v průměrné výšce 47 cm. Prý tím dosáhlo schopnosti trvale udržitelného letu.
To jsou zjevné zázraky. Postačil k tomu výkon 600 W.
Pokud katapultováno z převýšení cca 2 m ? video rodeo; mělo běžnou klouzavost větroně 30/1. Pokud jen z 1 m (průměrná výška letu 5 metrového vznášedla cca 0,5 m; při luxusním impulzu z katapultu pak taky 30/1.
Zdá se, že jim došly dolary, aby změřili aerodynamický odpor či indukovaný vztlak při letu vznášedla v malé výšce nad vyleštěnými parketami a tah bleskového pohonu na brzdě.
V teorii píší, že iontový vítr má energetickou účinnost cca 1 max. 2,6%.
Pokud trvale udržitelné Monstrum hmoty 2,5 kg se 10 s * 600 W chránilo před poklesem o 0,94 m pak z 6000 J vytěžilo jen užitečných 2,5.9,81.0,94 = 23 J a má tedy účinnost
0,38% i s pomocí katapultu.
Příroda (Nature)je mocná čarodějka.
ÁMEN.

Odpovědět


Naštěstí jsem neviděl Star Trek a nejsem umanut modrými světýlky

Josef Hrncirik,2018-11-24 22:06:14

K ionizaci vzduchu (dusíku) dochází v extrémně silném el. poli blízkého okolí anody. Pole je tam nejvíce radiální a tudíž část předané hybnosti nemá správný směr.
Síla urychlující iont je daná pochopitelně nábojem a intenzitou pole. Jednoduchá je pouze energie předaná náboji potenciálovým rozdílem či rychlost dopadu nebrzděného náboje. Iont je brzděn srážkami s neionizovaným vzduchem a svou energii do směru potenciálového spádu srážkami předá většímu počtu molekul a při velmi krátké volné dráze za atm. tlaku rychlost a teplota větrů nebude dramaticky treckovská. To ostatně není ani žádoucí.
Při pohybu hmotným prostředím by se pokud možno létadlo do něj mělo pouze zavrtávat jako šroub bez tření a odhazovat či unášet co nejmenší množství tohoto prostředí minimální rychlostí. Protože to nejde, je nutno snažit se, aby odhrnovaný proud či výtrysk reakce měl pokud možno aktuální rychlost létadla a do okolí se zbytečně neztrácela energie spojená s pohybem a pohonem.
Rychlost iontového větru by se měla snadno regulovat a nakonec být cca cestovní rychlostí. Zde 600 W při 40 kV představuje proud 15 mA, tj. 28 g N2*0,015 A/96500 A.s = 4,35 ug N2/s; ty by bez srážek měly 600 W, tj. rychlost 525 km/s a pouze by jasným modrým světlem tavily katodu. Jejich hybnost by byla malá, jen 2,28 mNs, reakce vzduchu 0.
600 W by při 4,8 m/s mohlo dát tah až 600 W/4,8 m/s = 125 N a Monstrum by mohlo vzlétnout kolmým startem jako Vostok. Pochopitelně by muselo hnát ve větru 125 N*s/4,8 s = 26 kg vzduchu "sací rourou (tryskou) průřezu cca 26 kg/(4,8m/s*1,2 kg/m3) = 4,5 m2. I při rozpětí 5 m je vzdálenost mezi elektrodami max. ?0,5 m a pole se do potřebné šířky neotvírá. Pokud je pole příliš silné, rychlost se mění na teplo. Není jasné jak daleko umožní pouhých 40 kV vůbec tichý výboj táhnout. Prostě je obtížné až nemožné tichý výboj velmi rozšířit a prodloužit, aby pohon byl tvořen relativně pomalým (=cca cestovní rychlosti) a studeným větrem. Současně katoda musí ionty dobře sbírat, aby se z létadla nestal poletující van De Grafův generátor či nebylo za hromobití Star Trekovských blesků taženo zpět.

Odpovědět


NatuRe: Naturally, aby smrdutý iontový vánek měl oněch ideálních 4,8 m/s a Monstrum se tiše plížilo beze stop bezvětřím

Josef Hrncirik,2018-11-25 18:36:48

zanechávajíc pouze vyčenichatelnou vlečku ozonu a barevného oxidu dusíku NO2, je nutno aby z proudu 17 ug N2+/s vznikl srážkami proud zmíněných 25 kg/s.
To znamená, že iont se musí srazit s okolními molekulami průměrně 25 kg/17 ug =
cca 1,47 G*. Střední volná dráha N2 i iontu je při 25°C a při zemi cca 0,21 um.
Kolizní dráha iontu tedy musí být průměrně cca 1,47 G*0,21 um = cca 311 m.
Momentálně je to tedy ideální pohon pro H2 vzducholoď Hindenburg.
Trochu problém je, že 40 kV/311 m určitě nevyvolá uvažovaný proud 60 mA.
Mohli naturally napsat alespoň jaký napěťový gradient použili (formální a ve vlastním středním pracovním prostoru kV/m) a jaká byla v pracovním prostoru proudová hustota A/m2; ohřev vzduchu za Monstrem; rychlost funění z Monstra při statickém startu.
Zajímavé je též kolik O3 a NOx tento 600 W ozonizátor produkuje v okolí elektrod.
Lze vůbec uskutečnit stejnosměrný tichý výboj v neplýtvavé geometrii mřížka-mřížka (cca deska-deska)? proudové hustoty a ?napěťový gradient? rychlosti větru? teplota větru? účinnost do proudění?

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni












Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace