Depuis leur invention, il y a plus de 100 ans, les avions tournent dans l'air grâce aux surfaces tournantes des hélices ou des turbines. Mais en regardant des films de science-fiction comme «Star Wars», «Star Trek» et «Back to the Future», j’imaginais que les systèmes de propulsion du futur seraient silencieux et immobiles - peut-être avec une sorte de lueur bleue et «whoosh ”Bruit, mais pas de pièces mobiles, et pas de flot de pollution vers l'arrière.
Cela n'existe pas encore, mais il existe au moins un principe physique qui pourrait être prometteur. Il y a environ neuf ans, j'ai commencé à étudier l'utilisation de vents ioniques, des flux de particules chargées dans l'air, comme moyen de propulser le vol. S'appuyant sur des décennies de recherche et d'expérimentation menées par des universitaires et des amateurs, des professionnels et des étudiants en sciences au secondaire, mon groupe de recherche a récemment piloté un avion presque silencieux sans aucune pièce mobile.
L'avion pesait environ 2, 45 kg (5 livres) et avait une envergure de 5 mètres (15 pieds). Il a parcouru environ 60 mètres (180 pieds). Il est donc loin du transport efficace de fret ou de personnes sur de longues distances. Mais nous avons prouvé qu'il était possible de piloter un véhicule plus lourd que l'air en utilisant des vents ioniques. Il a même une lueur que vous pouvez voir dans le noir.
Revisiter les recherches abandonnées
Le processus utilisé par notre avion, formellement appelé propulsion électroaérodynamique, a été étudié dès les années 1920 par un scientifique excentrique qui pensait avoir découvert l'anti-gravité - ce qui n'était bien sûr pas le cas. Dans les années 1960, des ingénieurs en aérospatiale ont exploré l’utilisation de ce dernier pour piloter un vol, mais ils ont conclu que cela ne serait pas possible avec la compréhension des vents ioniques et de la technologie disponible à l’époque.
Plus récemment, cependant, un nombre considérable d'amateurs - et d'étudiants du secondaire participant à des projets d'expo-sciences - ont construit de petits appareils de propulsion électroaérodynamiques qui suggéraient que cela puisse fonctionner. Leur travail a été crucial pour les débuts du travail de mon groupe. Nous avons cherché à améliorer leurs travaux, notamment en effectuant une grande série d’expériences visant à optimiser la conception des propulseurs électroaérodynamiques.
Déplacer l'air, pas les pièces de l'avion
La physique sous-jacente de la propulsion électroaérodynamique est relativement simple à expliquer et à mettre en œuvre, bien que certaines de ses caractéristiques physiques soient complexes.
Nous utilisons un filament fin ou un fil chargé à +20 000 volts à l'aide d'un convertisseur de puissance léger, lui-même alimenté par une batterie lithium-polymère. Les filaments minces sont appelés émetteurs et sont plus proches de l'avant de l'avion. Autour de ces émetteurs, le champ électrique est si intense que l'air s'ionise - les molécules d'azote neutres perdent un électron et deviennent des ions d'azote chargés positivement.
Plus en arrière dans l'avion, nous plaçons un profil aérodynamique - semblable à une petite aile - dont le bord d'attaque est électriquement conducteur et chargé à -20 000 volts par le même convertisseur de puissance. Ceci s'appelle le collecteur. Le collecteur attire les ions positifs vers lui. Lorsque les ions circulent de l'émetteur au collecteur, ils entrent en collision avec des molécules d'air non chargées, ce qui provoque ce que l'on appelle un vent ionique qui circule entre les émetteurs et les collecteurs, propulsant l'avion en avant.
Ce vent ionique remplace le flux d'air qu'un moteur à réaction ou une hélice créerait.
Partir petit
J'ai dirigé des recherches sur le fonctionnement réel de ce type de propulsion, en développant des connaissances détaillées sur son efficacité et sa puissance.
Mon équipe et moi avons également travaillé avec des ingénieurs en électricité pour développer les composants électroniques nécessaires à la conversion de la production des batteries en dizaines de milliers de volts nécessaires à la création d'un vent ionique. L’équipe a été en mesure de produire un convertisseur de puissance bien plus léger que tous les modèles disponibles auparavant. Cet appareil était suffisamment petit pour être pratique dans un avion, que nous avons finalement pu construire et piloter.
Notre premier vol est, bien sûr, très éloigné du vol des gens. Nous travaillons déjà à rendre ce type de propulsion plus efficace et capable de supporter des charges plus importantes. Les premières applications commerciales, à supposer que cela aboutisse, pourraient consister à fabriquer des drones silencieux à voilure fixe, notamment pour la surveillance de l'environnement et les plateformes de communication.
Dans l'avenir, nous espérons qu'il pourra être utilisé dans les gros aéronefs pour réduire le bruit et même permettre à la peau extérieure d'un aéronef de produire une poussée, à la place des moteurs ou pour augmenter leur puissance. Il est également possible que les équipements électroaérodynamiques soient miniaturisés, permettant ainsi une nouvelle variété de nano-drones. Beaucoup pourraient penser que ces possibilités sont improbables, voire impossibles. Mais c'est ce que les ingénieurs des années 60 ont pensé à ce que nous faisons déjà aujourd'hui.
Cet article a été publié à l'origine sur The Conversation.
Steven Barrett, professeur d’aéronautique et d’astronautique, Massachusetts Institute of Technology
