Ingenieurs van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) hebben voor het eerst een vliegtuig laten vliegen met geïoniseerde lucht. Er zijn geen bewegende onderdelen van propellers of schoepenraden, er komt geen brandstof bij te pas, er is geen geluid; alleen elektrische ontlading zorgt voor de voortstuwing.

Met een spanwijdte van 5 m en een gewicht van een kleine 2,5 kg stelt het testvliegtuigje niet veel voor, maar het gaat de ingenieurs van de elektrotechnische en luchtvaartfaculteiten van het Amerikaanse MIT er dan ook vooral om in de praktijk te laten zien dat vliegen met geïoniseerde lucht mogelijk is. Vandaag publiceren zij over hun solid-state propulsion in tijdschrift Nature. In de video hieronder leggen ze het werkingsprincipe uit.
 


Lawine van geladen deeltjes

De ionenlawine.

Bij de voortstuwing speelt geïoniseerde lucht de hoofdrol. Eerst zorgt een hoogfrequente wisselspanning van 40 kV dat er rond een dunne draad, de emitter, een corona ontstaat. Dat is een lawine van snel bewegende elektronen die op hun beurt luchtdeeltjes ioniseren, waarvan de elektronen weer volgende luchtdeeltjes ioniseren, enzovoorts. Het is een verschijnsel dat ook optreedt rond hoogspanningsleidingen die in de lucht hangen: ook daaromheen ontstaat een corona, die je als je eronderdoor loopt, kunt herkennen aan het zachte geknetter.

Ionenwind in één richting.

Om te kunnen vliegen is voortstuwingskracht nodig, en daarom wordt de lawine van geïoniseerde lucht met behulp van een statisch elektrisch veld in één bepaalde richting gestuurd, en wel naar de zogeheten collectordraad die met een hoogspanning van 40 kV de ionenlawine aantrekt. Er ontstaat zo een stroom van geïoniseerde luchtdeeltjes in één bepaalde richting, die tegen luchtmoleculen aanbotsen zodat die ook mee gaan bewegen. Zo ontstaat een ionenwind die de voortstuwingskracht creëert.

 

Voor het ontwerp van de draden keken de ingenieurs naar het optimum tussen spanwijdte, gewicht en voortstuwingskracht. Uiteindelijk resulteerde dat in een ontwerp waarbij de draden overdwars zijn gespannen onder een groot deel van de vleugel. Het vliegtuigje haalde daarmee een snelheid van 4,8 m/s (17,3 km/h).

 

Het ideale dradenontwerp uit de computer en het gemaakte vliegtuig (onder).

 

Op eigen kracht

Bj testvluchten in een hal van 60 m kreeg het vliegtuigje een beginsnelheid van 5 m/s, om vervolgens na 5 m op eigen kracht 55 m verder te vliegen. Zonder aandrijving kwam het vliegtuigje niet verder dan 10 m. Zie de video hieronder.
 


Om in zijn elektriciteit te voorzien beschikt het vliegtuigje over een lithium-ion-batterij die een spanning van 200 V levert. De ingenieurs ontwikkelden zelf een lichtgewicht spanningsomvormer die er uiteindelijk een wisselspanning van 7 kV van maakt om daarmee met de emitter de corona te produceren, en een gelijkspanning van 40 kV om de ionenlawine bij de collectordraad op te vangen. De batterij kan gedurende 90 s een vermogen van 600 W leveren.


Efficiency slechts 2,6 %

De efficiency van het systeem is zeer gering: uiteindelijk wordt slechts 2,6 % van de door de batterij geleverde energie omgezet in voortstuwingskracht. Dat is gelijk ook de belangrijkste kritiek op het systeem, zegt vliegtuigdeskundige Joris Melkert van de TU Delft desgevraagd. 'Het is een prachtig experiment, maar ik zie weinig toekomstperspectief, tenminste als het gaat om de burgerluchtvaart. De voortstuwingsefficiency moet dan zeker een factor 20 beter. En net als bij alle andere pogingen om elektrisch te vliegen, is hier de vraag: waar haal je de stroom vandaan? Accu's bevatten per kilogram 50 x minder energie dan kerosine. Dus alles bij elkaar moet je voor toepassingen in de burgerluchtvaart 1000 x beter presteren dan het huidige vliegtuigje. Dat zie ik niet gebeuren.'


Geen passagiersvliegtuig

Volgens de MIT-ingenieurs is wel iets aan die lage efficiency te doen. ‘5 % ligt binnen handbereik. 'We hebben het vliegtuig nu ontworpen op minimale spanwijdte, niet op maximale energie-efficiency’, zo verklaarden ze in een telefonische persconferentie. Ze weten ook maar al te goed dat hun voortstuwingssysteem niet geschikt is voor de burgerluchtvaart. ‘Een normaal vliegtuig heeft een voortstuwingsdichtheid (voortstuwingskracht per oppervlakte) van 1000 N/m2, ons vliegtuigje heeft 3 N/m2, bestaande onbemande vliegtuigen 10 N/m2.’ Het grote voordeel van op deze wijze vliegen is dat er geen uitstoot is van schadelijke stoffen en het vliegtuig geen geluid produceert anders dan de wind rond de vleugels.

In een begeleidende brief in Nature is de Franse onderzoeker Franck Plouraboué van het Instituut voor Vloeistofmechanica in Toulouse wat positiever. Zo zouden Solar Impulse-achtige vliegtuigen - ultralicht met zonnepanelen op de vleugels - de ionenwind kunnen gebruiken. De Solar Impulse vloog in 2015 met twee piloten aan boord rond de wereld louter op zonne-energie (lees ‘Zonnevliegtuig vertrekt op wereldreis’).


Vliegtuigsatellieten

Verder zijn er momenteel verschillende initiatieven om onbemande vliegtuigen op zo’n 20 km hoogte vrijwel permanent in de lucht te houden als een soort satelliet in een lage baan rond de aarde (lees ‘Airbus start met vliegtuigsatelliet’). Ook daar zou de elektrostatische voorstuwing geschikt voor kunnen zijn. Melkert van de TU Delft sluit dat soort nichetoepassingen niet uit. 'Toch zal ook dat nog veel vergen. De MIT-ingenieurs hadden een extreem licht vliegtuigje nodig en vlogen in een hal, dus zonder wind. Hoog in de atmosfeer zijn de omstandigheden minder vriendelijk.'

Het vliegtuig op ionenwind is volgens de MIT-ingenieurs vooral bedoeld om een nieuw voortstuwingssysteem in de praktijk verder te ontwikkelen, met mogelijke toepassingen in bepaalde niches.