El primer avión con sistema de propulsión sin partes móviles

Desde que el primer avión de los hermanos Wright levantó vuelo en 1903, cada una de las aeronaves posteriores surcó los aires con ayuda de partes móviles como turbinas y hélices, mecanismos que han sido impulsados por combustibles fósiles o baterías. Ahora, un grupo de ingenieros del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) diseñó y voló exitosamente el primer avión con un sistema de propulsión sin partes móviles.

En lugar de hélices o turbinas, esta ligera aeronave es propulsada por “viento iónico”: un silencioso y poderoso flujo de iones que se produce abordo del propio avión, capaz de generar empuje suficiente para un vuelo sostenido y controlado.

A diferencia de los aviones impulsados por turbinas, este no depende de combustibles fósiles para volar. Y la característica principal que diferencia a este nuevo diseño de los drones impulsados por hélices es que el vuelo resulta completamente silencioso.

“Se trata del primer vuelo sostenido de un avión sin partes móviles en el sistema de propulsión”, apunta Steven Barret, profesor de aeronáutica en el MIT. “Tiene potencial para que se exploren nuevas posibilidades en aeronaves silenciosas, mecánicamente más simples y sin emisión de gases resultantes de la combustión”.

Barret espera que, en el mediano plazo, los sistemas de propulsión de viento iónico puedan implementarse en drones para hacerlos menos ruidosos. A largo plazo, prevé que la propulsión iónica esté a la par de los sistemas de combustión tradicionales para crear aviones de pasajeros y aeronaves más grandes con una mayor eficiencia en el consumo de combustible.

Los resultados del estudio han sido publicados en la revista Nature.

De la ficción a la realidad.

Barret confiesa que la inspiración para el avión de iones provino de la saga televisiva y cinematográfica “Star Trek”, que empezó a seguir desde que era un niño. Quedó particularmente fascinado por los futurísticos transbordadores que surcaban el aire sin esfuerzo, aparentemente sin partes móviles y carentes de ruido o emisiones.

“Esto me hizo pensar que, a largo plazo, los aviones ya no tendrán hélices y turbinas”, dice Barret. “Serán más parecidos a los transbordadores de ‘Star trek’, que únicamente tienen un brillo azul y se deslizan silenciosamente”.

Hace casi una década, Barret empezó a investigar la forma de diseñar sistemas de propulsión para aeronaves sin partes móviles. Eventualmente descubrió el “viento iónico”, también conocido como empuje electroaerodinámico: un principio físico identificado por primera vez en la década de 1920 que describe el viento, o empuje, que se genera cuando una corriente fluye entre un electrodo delgado y uno grueso. Si se suministra el voltaje suficiente, el aire entre los electrodos produce empuje para impulsar un avión pequeño.

Durante todo este tiempo el empuje electroaerodinámico había sido relegado mayormente a los proyectos de aficionados, y la mayoría de diseños se limitaba a pequeños dispositivos conectados a grandes fuertes de voltaje que producían viento iónico suficiente para levantar el avión brevemente en el aire. Habían dado por hecho que resultaba imposible producir viento iónico suficiente para propulsar un avión más grande en un vuelo sostenido.

“Era una noche en la que no podía dormir en un hotel a causa de los efectos del jet lag, y pensaba en esto, buscaba formas de resolver el problema”, recuerda Barret. “Hice algunos cálculos en el reverso de un sobre y encontré que sí, era un sistema de propulsión viable”, cuenta. “Y resultó que se necesitarían varios años de trabajo para ir de aquello a el primer vuelo de prueba”.

El despegue de los iones.

El diseño final del equipo del MIT evoca al de un gran planeador ligero. El avión pesa casi los 2.3 kg y posee una envergadura de 5 metros, pero lo que más llama la atención es la configuración de los delgados cables en la parte frontal, dispuestos como si se tratara de cercas horizontales. Estos cables funcionan como electrodos cargados positivamente, mientras que una configuración similar, en la parte posterior de las alas, hace las veces del electrodo negativo.

Además, en el fuselaje del avión se oculta un paquete de baterías de polímero de litio. En el equipo que diseñó el avión iónico se encuentran miembros del Power Electronics Research Group, a cargo del profesor David Perrault, quienes diseñaron una fuente de poder capaz de convertir la salida de las baterías en un voltaje lo suficientemente alto para impulsar al avión. Gracias a esto, las baterías suministran electricidad de 40 mil voltios para cargar los cables positivamente a través de un convertidor de poder ligero.

Una vez que los cables han sido energizados, actúan atrayendo y despojando de sus electrones a las moléculas de aire circundantes, como un imán gigante que atrae pedazos metálicos. Las moléculas de aire que son dejadas atrás están recién ionizadas, y listas para ser atraídas a la carga negativa de los electrodos en la parte posterior del avión.

A medida que esta nube recién formada de iones fluye a través de los cables cargados negativamente, cada ion colisiona millones de veces con otras moléculas de aire, generando el impulso para que el avión siga adelante.

El equipo hizo volar el avión una distancia de 60 metros (el tamaño del recinto más grande que pudieron encontrar para llevar a cabo su experimento), y observaron que producía empuje iónico suficiente para mantener el vuelo durante todo el trayecto. Repitieron el vuelo en 10 ocasiones obteniendo el mismo desempeño cada una de las veces.

“Esta es la aeronave más simple que pudimos diseñar para demostrar que un avión iónico puede volar”, apunta Barret. “Todavía falta mucho para que una aeronave de este tipo pueda desempeñar una misión útil. Necesita ser más eficiente y volar distancias más largas en el exterior”.

Por ahora, el equipo de Barret se encuentra trabajando para incrementar la eficiencia del diseño, para producir más viento iónico con menos voltaje. Los investigadores también esperan incrementar la densidad en el empuje del diseño (la cantidad de empuje generada por unidad de área). Por ahora, el avión requiere de una gran área de electrodos, lo que esencialmente constituye el sistema de propulsión. Sin embargo, a Barret le gustaría diseñar una aeronave sin un sistema de propulsión visible, y con mecanismos de control como elevadores y timones. Seguramente no pasará mucho tiempo hasta que se implemente el sistema en aviones militares.