Una aeronave propulsada por iones o ionocraft es una aeronave que utiliza electrohidrodinámica (EHD) para proporcionar sustentación o empuje en el aire sin necesidad de combustión o piezas móviles . Los diseños actuales no producen suficiente empuje para vuelos tripulados o cargas útiles.
El principio de propulsión eólica iónica con partículas cargadas generadas por corona fue descubierto poco después del descubrimiento de la electricidad , con referencias que datan de 1709 en un libro titulado Experimentos físico-mecánicos sobre diversos temas 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 a la EHD. [1] [2]
Los aviones VTOL propulsados por iones a veces se denominan "elevadores". Los primeros ejemplos podían levantar alrededor de un gramo de peso por vatio , [3] pero esto no era suficiente para levantar la pesada fuente de alimentación de alto voltaje necesaria, que permanecía en tierra y alimentaba la aeronave a través de cables largos, delgados y flexibles.
El uso de la propulsión EHD para sustentación fue estudiado por el diseñador de aeronaves estadounidense Mayor Alexander Prokofieff de Seversky en los años 1950 y 1960. Presentó una patente para un "ionocraft" en 1959. [4] Construyó y voló un modelo de ionocraft VTOL capaz de maniobrar lateralmente variando los voltajes aplicados en diferentes áreas, aunque la fuente de alimentación pesada permaneció externa. [5]
El vehículo aéreo electromagnético sin alas (WEAV) de 2008, un elevador EHD con forma de platillo y 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 ionización. Un modelo con una fuente de alimentación externa 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 utilizando 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 de ala fija autónomo 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 se lanzaba mediante catapulta utilizando una banda elástica, y el sistema EAD sostenía la aeronave en vuelo a bajo nivel.
La propulsión iónica de aire es una técnica para crear un flujo de aire mediante energía eléctrica , sin partes móviles. Por eso, a veces se la describe como una propulsión de "estado sólido". Se basa en el principio de la electrohidrodinámica.
En su forma básica, consta de dos electrodos conductores paralelos , un cable emisor delantero y un colector posterior. Cuando se alimenta un dispositivo de este tipo con alto voltaje (en el rango de kilovoltios por mm), el emisor ioniza moléculas en el aire que se aceleran hacia atrás hasta el colector, lo que produce 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 estar cargados positiva o negativamente. Invertir la polaridad de los electrodos no altera la dirección del movimiento, ya que también invierte la polaridad de los iones que llevan 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 iones moleculares en racimo [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 iónicos tienen el potencial de ser mucho más eficientes que los motores a reacción convencionales. [16]
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 el ionocraft, el cable de 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 . Mientras esto sucede, los iones son repelidos desde el ánodo y atraídos hacia el colector, lo que hace que la mayoría de los iones se 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 fuerza del campo eléctrico externo y la masa de los iones y las moléculas de aire neutrales.
El hecho de que la corriente sea transportada por una descarga de corona (y no por un arco muy confinado ) significa que las partículas en movimiento se difunden en una nube de iones en expansión y colisionan frecuentemente con moléculas de aire neutrales. Son estas colisiones las que crean empuje. El impulso de la nube de iones se imparte parcialmente a las moléculas de aire neutrales con las que choca, las cuales, debido a que son neutrales, no migran de regreso al segundo electrodo. En cambio, continúan viajando en la misma dirección, creando un viento neutral. A medida que estas moléculas neutrales son expulsadas de la nave ionoeléctrica, hay, de acuerdo con la Tercera Ley de Movimiento de Newton , fuerzas iguales y opuestas, por lo que la nave ionoeléctrica 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, incluida la presión y la temperatura del aire, la composición del gas, el voltaje, la humedad y la distancia del espacio de aire.
La masa de aire en el espacio entre los electrodos se ve afectada repetidamente por partículas excitadas que se mueven a gran velocidad de deriva. Esto crea una resistencia eléctrica que debe superarse. El resultado del aire neutro atrapado en el proceso es provocar efectivamente un intercambio de momento y, por lo tanto, 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 sustentación motorizada , a veces denominada "elevador".
Los componentes generadores de empuje de un sistema de propulsión iónica constan de tres partes: un cable de corona o emisor, un espacio de aire y un cable o tira colectora aguas abajo del emisor. Un marco aislante ligero sostiene el conjunto. El emisor y el colector deben estar lo más cerca posible entre sí, 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 requerida ]
Los sistemas de propulsión iónica requieren muchas precauciones de seguridad debido al alto voltaje requerido.
El cable emisor se conecta normalmente al terminal positivo de la fuente de alimentación de alto voltaje. En general, está hecho de un cable conductor desnudo de pequeño calibre . Si bien se puede utilizar cable 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 tener un mejor rendimiento que los tamaños más grandes y comunes, como el calibre 30, ya que el campo eléctrico más fuerte alrededor del cable de diámetro más pequeño 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]
Al emisor a veces se lo denomina "cable de corona" debido a su tendencia a emitir un resplandor de descarga de corona púrpura mientras está en uso. [ cita requerida ] Este es simplemente un efecto secundario de la ionización.
El entrehierro aísla los dos electrodos y permite que los iones generados en el emisor se aceleren y transfieran impulso a las moléculas de aire neutras, antes de perder su carga en el colector. El ancho del entrehierro es típicamente de 1 mm/kV. [21]
El colector está diseñado para proporcionar una superficie equipotencial lisa debajo del cable de corona. Las variaciones de esto incluyen una malla de alambre, tubos conductores paralelos o una falda de aluminio con un borde liso y redondeado. Los bordes afilados en la falda degradan el rendimiento, ya que generan iones de polaridad opuesta a los que se encuentran dentro del mecanismo de empuje. [ cita requerida ]
El dispositivo volador originalmente elevaba 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…
