Nadchodzi era jonolotów?

Ze skrzydłami o blisko pięciu metrach rozpiętości i ważący około 2,5 kilograma prototyp wykonał dziesięć na dziesięć udanych prób przelecenia hali gimnastycznej politechniki. Do osiągnięcia niecałych 20 kilometrów prędkości nie potrzeba było ani grama paliwa kopalnego. Wyniki mogą się wydawać nieszczególne, ale warto przypomnieć, że pierwszy lot braci Wright pokonał dystans zaledwie 36,5 metra. Po 63 latach od tego wydarzenia pierwszy człowiek postawił stopę na Księżycu. Nawiązanie do kosmosu nie jest przypadkowe. Silniki jonowe są już z powodzeniem stosowane w misjach badających Układ Słoneczny. Do niedawna uważano jednak, że w warunkach ziemskich ten rodzaj napędu nie jest w stanie wytworzyć wystarczającej siły nośnej.

Silnik jonowy

Tę jednostkę napędową można dla uproszczenia nazwać „silnikiem elektrycznym na gaz”. Zasada działania nie jest skomplikowana. Jony (atomy lub grupy atomów z ładunkiem elektrycznym dodatnim lub ujemnym) należy przyspieszyć, tak by pojawił się ciąg. Ten rodzaj napędu zapewnia maszynie impuls właściwy około dziesięciu razy większy niż w wypadku powszechnie stosowanych chemicznych silników rakietowych.

Naukowcy z MIT stworzyli model szybowca, który pod skrzydłami ma zamontowane cienkie druciki i elektrody. Wewnątrz maszyny umieszczono akumulatory litowo-polimerowe, które dostarczają energii na poziomie 40 000 woltów. „Samolot” wychwytuje ujemnie naładowane elektrony z cząsteczek powietrza, które są natychmiast przyciągane do ujemnych elektrod z tyłu samolotu. W ten sposób powstaje siła potrzebna do utrzymania pojazdu w powietrzu. „Ziemski” silnik jonowy, w przeciwieństwie do silników jonowych wykorzystywanych od lat w warunkach kosmicznych, wykorzystuje powietrze jako środek przyspieszający. 

Sam pomysł ma ponad sto lat. W 1911 roku na koncepcję napędu wykorzystującego jony wpadł Konstantin Ciołkowski, rosyjski badacz, syn polskiego zesłańca. Pierwsze próby odbyły się pięć lat później w Stanach. Sama idea wyprzedzała jednak znacząco swoje czasy.

Dopiero podbój kosmosu umożliwił rozwój idei Ciołkowskiego. Pierwszy eksperymentalny silnik jonowy został wypróbowany w warunkach okołoziemskich w 1964 roku. Szersze zastosowanie znalazł dopiero w 1998 roku w sondzie Deep Space, której głównym celem było przetestowanie dwunastu zaawansowanych technologii. W wypadku napędu jonowego sprawdzian wypadł pomyślnie. Obecnie japońska sonda Hayabusa – lecąca w celu zebrania próbek materii z planetoidy i dostarczenia ich na Ziemię, oraz amerykańska sonda Dawn, kierująca się na Ceres, planetę karłowatą krążącą wewnątrz pasa planetoid między orbitami Marsa i Jowisza, poruszają się, dzięki teoretycznym rozważaniom rosyjskiego pioniera kosmonautyki.  

Zaletą silnika jonowego duży impuls właściwy. Wadą mały ciąg. Odwrotnie jak w klasycznych silnikach spalinowych. Siła ciągu powstaje zgodnie III zasadą dynamiki i wytwarza go oddziaływania układu napędowego z innymi ciałami (np.: koło – jezdnia, śruba okrętowa – woda, śmigło – powietrze). Impuls właściwy jest to z kolei ciąg silnika podzielony na ciężar paliwa i pomnożony przez czas pracy silnika.

Innymi słowy. Ciąg mówi, jak mocno silnik może popchnąć pojazd, a impuls właściwy, podaje czas działania silnika z określoną mocą wykorzystujący do tego określoną ilość paliwa.

Praktyczne zastosowanie

Obecne próby to początek drogi do silników jonowych w maszynach, które będziemy wykorzystywać do czegoś więcej niż latanie przez salę gimnastyczną. Choć mamy przełom, i nie po raz pierwszy okazało się, że „niemożliwe jednak jest możliwe”, to rodzi się pytanie jak praktycznie wykorzystać nowy napęd.

– To najprostsza możliwa konstrukcja, którą moglibyśmy zaprojektować, aby udowodnić, że samolot jonowy może latać. Wciąż jest daleko od samolotu, który może wykonać pożyteczną misję. Musi być bardziej wydajny, latać dłużej i przede wszystkim na zewnątrz – stwierdził Steven Barrett, profesor aeronautyki i astronautyki w MIT, szef zespołu badawczego. – Potencjalnie otwieramy nowe, nieznane możliwości w lotnictwie. Nasze samoloty są ciche, prostsze mechanicznie i nie emitują spalin – dodał.

Naukowiec już dziś widzi zastosowanie dla ulepszonej wersji swojego wynalazku. W niedalekie przyszłości mógłby on znaleźć zastosowanie w dronach, które stałyby się przez to mniej hałaśliwe. W dalszej perspektywie majaczy pomysł połączenie silnika jonowego ze spalinowym. Taka hybryda w samolotach pasażerskich czy transportowych dałaby nie tylko zmniejszenie hałasu, czynnik istotny dla rozwoju lotnisk położonych w miastach czy w ich pobliżu, ale mniejsze zużycie paliwa. To ostatnie interesuje wszystkich, bo obecnie około jednej trzeciej kosztów działalności przewoźników to właśnie zakup paliwa lotniczego.

Do praktycznych zastosowań silnika jonowego w przemyśle lotniczym dzielą nas lata. Pewnie nawet dekady. Warto jednak  przyglądać się działaniom naukowców z MIT. W końcu „jutro rodzi się dzisiaj”.