בהשראת המד”ב, מטוס ללא חלקים נעים וזוהר יוני כחול

חוקר שעסק בפיתוח המטוס השקט מסביר את הפיזיקה שעומדת מאחוריו

המחבר: סטיב בארט, פרופסור לאווירונאוטיקה ואסטרונאוטיקה, המכון הטכנולוגי של מסצ’וסטס

מאז שהומצאו לפני יותר ממאה שנה, מטוסים נעים באוויר באמצעות סיבוב משטחים של מדחפים או טורבינות. אבל מצפייה בסרטי מדע בדיוני כמו הסדרות של “מלחמת הכוכבים”, “מסע בין כוכבים” ו”בחזרה לעתיד”, תיארתי לעצמי שמערכות ההנעה של העתיד יהיו שקטות ודוממות – אולי עם זוהר כחול מסוג כלשהו ורעש של “ווש”, אבל ללא חלקים נעים, וללא זרם של זיהום שיוצא מאחור.

זה לא קיים עדיין, אבל יש לפחות עקרון פיזיקלי אחד שיכול להיות מבטיח. לפני כתשע שנים התחלתי לחקור שימוש ברוחות יוניות — זרימות של חלקים טעונים דרך האוויר — כאמצעי להנעת טיסה. על בסיס עשורים של מחקרים וניסויים שעשו אנשי אקדמיה וחובבים, אנשי מקצוע ותלמידי תיכון שלמדו מדעים, קבוצת המחקר שלי הטיסה לאחרונה מטוס כמעט שקט ללא חלקים נעים כלשהם.

המטוס שקל בערך 2.5 ק”ג עם מוטת כנפיים של 5 מטרים, וטס בערך 60 מטרים, כך שהדרך ארוכה עד לנשיאה יעילה של מטען או אנשים למרחקים ארוכים. אבל הוכחנו שאפשרי להטיס כלי כבד מהאוויר באמצעות רוחות יוניות. ויש לו אפילו זוהר שאפשר לראות בחשיכה.

חזרה למחקרים שנזנחו

התהליך שמשמש את המטוס שלנו, שנקרא פורמלית הנעה אלקטרו אירודינמית, נחקר כבר בשנות העשרים של המאה העשרים על ידי מדען אקסצנטרי שחשב שגילה אנטי כבידה – וזה כמובן לא היה המצב. בשנות השישים מהנדסי תעופה וחלל חקרו שימוש שלו להנעת טיסה, אבל הגיעו למסקנה שזה יהיה בלתי אפשרי עם ההבנה של רוחות יוניות והטכנולוגיה שהיו באותה תקופה.

אבל בעבר הקרוב יותר, מספר רב של חובבים – ותלמידי תיכון שעשו פרויקטים לשיעורי מדע – בנו מכשירים קטנים של הנעה אלקטרו אירודינמית שמצביעים על כך שהיא יכולה בכל זאת לפעול. עבודתם הייתה חשובה מאוד לתקופה העבודה המוקדמת של הצוות שלי. רצינו לשפר את עבודתם, בעיקר על ידי ביצוע סדרות גדולות של ניסויים כדי ללמוד איך למטב את התכנון של מדחפים אלקטרו אירודינמיים.

להניע את האוויר, לא את חלקי המטוס

פשוט יחסית להסביר וליישם את הפיזיקה שבבסיס ההנעה אלקטרו אירודינמית, למרות שחלק מהפיזיקה הזאת לא פשוטה.
אנחנו משתמשים בתיל דק שנטען למתח של +20,000 באמצעות ממיר חשמל קל משקל שמקבל את החשמל שלו מסוללת פולימר ליתיום. התילים הדקים נקראים פולטים, והם קרובים יותר לקידמת המטוס. מסביב לפולטים האלה השדה החשמלי כל כך חזק שהאוויר מתיינן – מולקולות חנקן ניטרליות מאבדות אלקטרון והופכות ליוני חנקן עם מטען חיובי.

בהמשך המטוס אנחנו שמים משטח אוויר – כמו כנף קטנה – ששפת התקיפה שלו מוליכה מבחינה חשמלית ומוטענת למתח של -20,000 על ידי אותו ממיר חשמל. זה נקרא הקולט. הקולט מושך אליו את היונים החיוביים. כשהיונים זורמים מהפולט לקולט, הם מתנגשים עם מולקולות אוויר לא טעונות, וגורמים למה שנקרא רוח יונית שזורמת בין הפולטים והקולטים, ומניעה את המטוס קדימה. הרוח היונית הזאת מחליפה את זרימת האוויר שמנוע סילון או מדחף היו יוצרים.

התחיל בקטן

עמדתי בראש מחקר שחקר איך הנעה מהסוג הזה פועלת למעשה, ופיתח ידע מפורט כמה יעילה וחזקה היא יכולה להיות.
הצוות שלי ואני גם עבדנו עם מהנדסי חשמל כדי לפתח את האלקטרוניקה שנחוצה כדי להמיר תפוקה של סוללות לעשרות אלפי הוולטים שדרושים כדי ליצור רוח יונית. הצוות הצליח ליצור ממיר חשמל קל משקל בהרבה מכל ממיר שהיה קיים קודם. המכשיר הזה היה קטן מספיק כדי להיות מעשי בתכנון של מטוס, שבסופו של דבר הצלחנו לבנות ולהטיס.

הדגמה לדרך בה פועל המטוס של MIT

הטיסה הראשונה שלנו, כמובן, רחוקה מרחק רב מהטסת אנשים. אנחנו כבר עובדים על הפיכת ההנעה מסוג זה ליותר יעילה ועם יכולת לשאת מטענים גדולים יותר. היישומים המסחריים הראשונים, בהנחה שנגיע כל כך רחוק, יכולים להיות בייצור רחפני כנף קבועה שקטים, כולל לניטור סביבתי ופלטפורמות תקשורת.
במבט לעתיד הרחוק יותר, אנחנו מקווים שאפשר יהיה להשתמש בה במטוסים גדולים יותר כדי להפחית רעש ואפילו לאפשר למעטפת החיצונית של המטוס לעזור ליצור דחף, במקום מנועים או כדי להוסיף לכוח שלהם. ייתכן גם שאפשר יהיה למזער ציוד אלקטרו אירודינמי, ולאפשר מגוון חדש של ננו רחפנים. רבים אולי יאמינו שהאפשרויות האלה לא סבירות או אפילו בלתי אפשריות. אבל זה מה שהמהנדסים בשנות השישים חשבו על מה שאנחנו כבר עושים היום.

לכתבה באתר THE CONVERSATION