Una aeronave o ionocraft propulsada por iones es una aeronave que utiliza electrohidrodinámica (EHD) para proporcionar sustentación o empuje en el aire sin requerir combustión ni piezas móviles . Los diseños actuales no producen suficiente empuje para vuelos tripulados ni cargas útiles.
El principio de la propulsión del viento iónico con partículas cargadas generadas por corona se descubrió poco después del descubrimiento de la electricidad con referencias que datan de 1709 en un libro titulado Physico-Mechanical Experiments on Different Subjects de Francis Hauksbee .
El experimentador estadounidense Thomas Townsend Brown pasó gran parte de su vida trabajando en este principio, bajo la impresión errónea de que se trataba de un efecto antigravedad , al que denominó efecto Biefeld-Brown . Dado que sus dispositivos producían empuje en la dirección del gradiente de campo, independientemente de la dirección de la gravedad, y no funcionaban en el vacío, otros investigadores se dieron cuenta de que el efecto se debía al EHD. [1] [2]
Los aviones VTOL propulsados por iones a veces se denominan "levantadores". Los primeros ejemplares eran capaces de levantar alrededor de un gramo de peso por vatio , [3] Esto era insuficiente para levantar la pesada fuente de alimentación de alto voltaje necesaria, que permanecía en el suelo y alimentaba la nave a través de cables largos, delgados y flexibles.
El uso de la propulsión EHD para la elevación fue estudiado por el diseñador de aviones estadounidense Major Alexander Prokofieff de Seversky en las décadas de 1950 y 1960. Presentó una patente para una "ionocraft" en 1959. [4] Construyó y voló un modelo de ionocraft VTOL capaz de maniobrar lateralmente variando los voltajes aplicados en diferentes áreas, aunque el pesado suministro de energía seguía siendo externo. [5]
El vehículo aéreo electromagnético sin alas (WEAV) de 2008, un elevador EHD en forma de platillo con electrodos incrustados en toda su superficie, fue estudiado por un equipo de investigadores dirigido por Subrata Roy en la Universidad de Florida a principios del siglo XXI. El sistema de propulsión empleó muchas innovaciones, incluido el uso de campos magnéticos para mejorar la eficiencia de la ionización. Un modelo con suministro externo logró un despegue y un vuelo estacionario mínimos. [6] [7]
Las fuentes de alimentación del siglo XXI son más ligeras y eficientes. [8] [9] El primer avión propulsado por iones que despegó y voló usando su propia fuente de alimentación a bordo fue una nave VTOL desarrollada por Ethan Krauss de Electron Air en 2006. [10] Su solicitud de patente se presentó en 2014, y Stardust Startups le otorgó una microsubvención para apoyar su proyecto en 2017. [11] La nave desarrolló suficiente empuje para elevarse rápidamente o volar horizontalmente durante varios minutos. [10] [12]
En noviembre de 2018, el primer avión autónomo de ala fija propulsado por iones, el MIT EAD Airframe Version 2, voló 60 metros. Fue desarrollado por un equipo de estudiantes dirigido por Steven Barrett del Instituto Tecnológico de Massachusetts . Tenía una envergadura de 5 metros y pesaba 2,45 kg. [13] La nave fue lanzada mediante catapulta usando una banda elástica, con el sistema EAD sosteniendo la aeronave en vuelo a bajo nivel.
La propulsión de aire iónica es una técnica para crear un flujo de aire mediante energía eléctrica , sin ninguna pieza móvil. Debido a esto, a veces se la describe como una unidad de "estado sólido". Se basa en el principio de la electrohidrodinámica.
En su forma básica, consta de dos electrodos conductores paralelos , un cable emisor principal y un colector posterior. Cuando una disposición de este tipo se alimenta con alto voltaje (en el rango de kilovoltios por mm), el emisor ioniza moléculas en el aire que aceleran hacia atrás hacia el colector, produciendo un empuje en reacción. En el camino, estos iones chocan con moléculas de aire eléctricamente neutras y las aceleran a su vez.
El efecto no depende directamente de la polaridad eléctrica, ya que los iones pueden tener carga positiva o negativa. Invertir la polaridad de los electrodos no altera la dirección del movimiento, ya que también invierte la polaridad de los iones que transportan carga. El empuje se produce en la misma dirección, en cualquier sentido. Para la corona positiva, los iones de nitrógeno se crean inicialmente, mientras que para la polaridad negativa, los iones de oxígeno son los iones primarios principales. Ambos tipos de iones atraen inmediatamente una variedad de moléculas de aire para crear grupos de iones moleculares [14] de cualquier signo, que actúan como portadores de carga .
Los propulsores EHD actuales son mucho menos eficientes que los motores convencionales. [15] Un investigador del MIT señaló que los propulsores de iones tienen el potencial de ser mucho más eficientes que los motores a reacción convencionales. [dieciséis]
A diferencia de los cohetes propulsores de iones puros , el principio electrohidrodinámico no se aplica en el vacío del espacio. [17]
El empuje generado por un dispositivo EHD es un ejemplo del efecto Biefeld-Brown y se puede derivar mediante un uso modificado de la ecuación de Child-Langmuir. [18] Un tratamiento unidimensional generalizado da la ecuación:
dónde
Aplicado a un gas como el aire, el principio también se conoce como electroaerodinámica (EAD).
Cuando se enciende la nave ionográfica, el cable de la corona se carga con alto voltaje , generalmente entre 20 y 50 kV . Cuando el cable de corona alcanza aproximadamente 30 kV, hace que las moléculas de aire cercanas se ionicen al quitarles sus electrones . Cuando esto sucede, los iones son repelidos del ánodo y atraídos hacia el colector, lo que hace que la mayoría de los iones aceleren hacia el colector. Estos iones viajan a una velocidad promedio constante denominada velocidad de deriva . Dicha velocidad depende del camino libre medio entre colisiones, la intensidad del campo eléctrico externo y la masa de iones y moléculas de aire neutras.
El hecho de que la corriente sea transportada por una descarga de corona (y no por un arco estrechamente confinado ) significa que las partículas en movimiento se difunden en una nube de iones en expansión y chocan frecuentemente con moléculas de aire neutras. Son estas colisiones las que crean empuje. El impulso de la nube de iones se transmite parcialmente a las moléculas de aire neutras con las que choca, las cuales, por ser neutras, no migran de regreso al segundo electrodo. En cambio, continúan viajando en la misma dirección, creando un viento neutral. A medida que estas moléculas neutras son expulsadas de la nave, existen, de acuerdo con la Tercera Ley del Movimiento de Newton , fuerzas iguales y opuestas, por lo que la nave se mueve en la dirección opuesta con una fuerza igual. La fuerza ejercida es comparable a una suave brisa. El empuje resultante depende de otros factores externos, como la presión y la temperatura del aire, la composición del gas, el voltaje, la humedad y la distancia entre los espacios de aire.
La masa de aire en el espacio entre los electrodos es impactada repetidamente por partículas excitadas que se mueven a alta velocidad de deriva. Esto crea una resistencia eléctrica que debe superarse. El resultado del aire neutral atrapado en el proceso es causar efectivamente un intercambio de impulso y así generar empuje. Cuanto más pesado y denso sea el aire, mayor será el empuje resultante.
Al igual que con el empuje de reacción convencional, el empuje EAD puede dirigirse horizontalmente para propulsar un avión de ala fija o verticalmente para soportar una nave de elevación motorizada , a veces denominada "elevador".
Los componentes generadores de empuje de un sistema de propulsión iónica constan de tres partes; un alambre de corona o emisor, un entrehierro y un alambre o tira colectora aguas abajo del emisor. Un marco aislante ligero sostiene la disposición. El emisor y el colector deben estar lo más cerca posible uno del otro, es decir, con un espacio de aire estrecho, para lograr una condición de corriente de corona saturada que produzca el máximo empuje. Sin embargo, si el emisor está demasiado cerca del colector, tiende a formar un arco a través del espacio. [ cita necesaria ]
Los sistemas de propulsión de iones requieren muchas precauciones de seguridad debido al alto voltaje requerido.
El cable emisor normalmente está conectado al terminal positivo de la fuente de alimentación de alto voltaje. Por lo general, está fabricado a partir de un cable conductor desnudo de pequeño calibre . Si bien se puede utilizar alambre de cobre , no funciona tan bien como el acero inoxidable . De manera similar, los cables más delgados, como los de calibre 44 o 50 , tienden a superar a los de mayor tamaño, como los de calibre 30, ya que el campo eléctrico más fuerte alrededor del cable de menor diámetro da como resultado un voltaje de inicio de ionización más bajo y una corriente de corona más grande, como lo describe la ley de Peek . [20]
El emisor a veces se denomina "cable corona" debido a su tendencia a emitir un brillo de descarga de corona púrpura mientras está en uso. [ cita necesaria ] Esto es simplemente un efecto secundario de la ionización.
El espacio de aire aísla los dos electrodos y permite que los iones generados en el emisor se aceleren y transfieran impulso a moléculas de aire neutras, antes de perder su carga en el colector. La anchura del entrehierro suele ser de 1 mm/kV. [21]
El colector tiene una forma que proporciona una superficie equipotencial suave debajo del cable de corona. Las variaciones de esto incluyen una malla de alambre, tubos conductores paralelos o un faldón de aluminio con un borde redondo y liso. Los bordes afilados del faldón degradan el rendimiento, ya que generan iones de polaridad opuesta a los del mecanismo de empuje. [ cita necesaria ]
El dispositivo volador originalmente levantó su fuente de alimentación directamente del suelo sin partes móviles en 2006.
…En sus experimentos, descubrieron que el viento iónico produce 110 newtons de empuje por kilovatio, en comparación con los 2 newtons por kilovatio de un motor a reacción…
