Desde hace 117 años, cuando los hermanos Wright desarrollaron el primer avión, las aeronaves han utilizado motores propulsados por combustibles fósiles ya sean con hélices, turbinas, o los más recientes, eléctricos. Sin embargo, ya existe una nueva posibilidad que en el futuro podría cambiar la aviación mundial: la propulsión iónica de estado sólido que no requiere motores de combustión con partes móviles y tampoco combustibles de origen fósil, sino que utiliza átomos o moléculas del aire cargados eléctricamente, mejor conocidas como iones.
Thank you for reading this post, don't forget to subscribe!Las naves propulsadas con iones son silenciosas, mecánicamente más sencillas y no emiten gases de efecto invernadero. El nuevo avión utiliza dispositivos electroaerodinámicos que usan la fuerza eléctrica para acelerar iones del aire y conformar un viento iónico capaz de sustentar el vuelo de un avión. En otras palabras, al igual que un rayo utiliza los iones cargados eléctricamente para producir un relámpago de energía, el nuevo avión “de estado sólido” genera viento lo suficientemente poderoso con el flujo de partículas cargadas eléctricamente.
Los principios físicos de átomos o moléculas cargadas eléctricamente para construir motores no son nuevos, se conocen desde hace un siglo, de hecho, ya se usan motores iónicos en satélites, pero en los años 70 se desarrolló la teoría del viento iónico. En aquel entonces se pensó que era imposible crear un prototipo que pudiera volar en la atmósfera terrestre.
Ahora, investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés) en EE. UU., y de la Universidad de Toulouse, Francia, encabezados por Steven Barrett y David Perreault, lograron diseñar y volar un pequeño avión de ala fija con un sistema de propulsión electroaerodinámica (EAD) con una envergadura de 5 metros y un peso de 2.45 kilogramos, que pudo volar durante 9 segundos.
En 1903, Wilbur y Oliver Wright, iniciaron la historia de la aviación mundial al realizar el primer vuelo, en la colina Kitty Hawk, en Ohio, Estados Unidos. Su avión llamado Flyer I pesaba 35 kilogramos y estaba equipado con un motor de hélice de 12 caballos de fuerza. Durante su primer vuelo se sostuvo en el aire 12 segundos y cubrió una distancia de 37 metros.
El avión de iones o de estado sólido del MIT que se publicó en la revista Nature, se sostuvo en el aire en un lugar cerrado, cubrió una longitud de 60 metros a una altitud promedio de 47 centímetros y con una velocidad de vuelo promedio de 4.8 metros por segundo.
Su relación de empuje y potencia fue comparable a la lograda por los sistemas de propulsión convencionales con turbinas, aunque la eficiencia general fue menor. Sin embargo, los investigadores señalan que el diseño del avión brindó prioridad al tamaño sobre la alta eficiencia, pero en los diseños futuros buscarán mejorar la eficiencia.
“Demostramos que un sistema de propulsión de estado sólido puede sostener un vuelo impulsado por EAD de un avión más pesado que el aire”, señalan los investigadores. “Volamos un avión de ala fija con cinco metros de envergadura diez veces y logramos un vuelo de nivel constante”.
Volar con viento iónico
La explicación del principio físico que sostiene este avance tecnológico es conocido por la Ley de Gauss sobre el flujo de campo eléctrico elaborada por Johann Gauss, matemático, astrónomo y físico alemán (1777-1855): Cuando las moléculas cargadas en el aire están sujetos a un campo eléctrico, se aceleran; y cuando estas moléculas cargadas chocan con las partículas neutrales del aire, transfieren parte de su impulso, lo que lleva al movimiento aéreo conocido como viento iónico.
Para producir este viento los investigadores aplican un campo eléctrico a la región que rodea un cable fino llamado emisor que induce cascadas de electrones, para ello utilizan una pila de baterías y un convertidor de potencia de alto voltaje ultraligeros que pueden producir 600 voltios.
Con este convertidor se emite la carga eléctrica de los cables hacia las moléculas del aire y hace que los electrones libres choquen con las moléculas del aire en una reacción en cadena, este fenómeno es conocido como “corona de descarga”, que ioniza el aire, libera y acelera más electrones.
Las moléculas cargadas eléctricamente en el aire (iones) ya sean negativas o positivas chocan con las moléculas de aire neutro. La proximidad del cable emisor hace que estas se alejen en dirección perpendicular hacia un colector que tiene forma de lámina y que se extiende perpendicularmente por debajo de las alas y se aceleran en una reacción en cadena que genera el viento iónico.
“Mostramos que las limitaciones convencionalmente aceptadas en relación de empuje a potencia y densidad de empuje, que anteriormente se consideraba que era inviable la electroaerodinámica como método de propulsión de avión, son superables”, indica el artículo científico publicado en Nature.
Cabe señalar que este proceso ocurre solo en gases y no en líquidos, por ello, los investigadores le llaman a este sistema “electroaerodinámica”. Permite el vuelo constante, pero con una eficiencia muy baja del 2.6%, sin embargo, conforme aumenta la velocidad el sistema es más eficiente y puede llegar al 50%. Cabe destacar que los experimentos de los investigadores demostraron que el uso del viento iónico permite una mayor aerodinámica que los sistemas convencionales.
“En la década de 1960, varios estudios parecían sonar la sentencia de muerte para la propulsión basada en viento iónico ya que solo alrededor del 1% de la energía eléctrica de entrada era utilizado en propulsión”, señala Frank Plouraboué, del Instituto de Mecánica de Fluidos de la Universidad Toulouse, en un artículo publicado en el mismo número de Nature. Para el investigador este avance tecnológico todavía está lejos de poder utilizarse en aviones de varias toneladas de peso, pero podría ser la base de sistema híbridos que combinen el vuelo iónico con aviones de energía solar.
Para el investigador, quien no participó en el estudio, tres factores hacen que el enfoque sea atractivo para aviones: Primero, ahora se sabe que la eficiencia energética mejora sustancialmente cuando el avión aumenta su velocidad. Segundo, muchos estudios han demostrado que el viento iónico puede mejorar la aerodinámica de las alas planas. En tercer lugar, la técnica podría facilitar lo que se conoce como propulsión distribuida, que se considera una dirección importante para mejorar la aviación.
Los investigadores también vislumbran el uso de otros sistemas híbridos en los que se puede combinar con eléctricos o con el uso de turbinas de gas, permitiendo una mayor eficiencia, ahorro de energía y la disminución de contaminantes.
Por lo pronto ya se está ideando su aplicación en drones, mucho más silenciosos y que contarían con alimentación constante de energía. Pero, sin lugar a dudas, los sistemas de investigación militar de diversos países y las compañías fabricantes de aeronaves analizarán con mucho detenimiento esta investigación y reorientarán esfuerzos a mejorar este nuevo sistema, tal y como ocurrió con el desarrollo de los aviones de los hermanos Wright hace más de un siglo.
