Un motor para drones silenciosos basado en ionizar el aire

Un dron silencioso tiene que usar un motor sin partes móviles, como un motor que ionice el aire y lo ponga en movimiento. Investigadores del MIT publican en Nature un planeador que usa este tipo de motor iónico. Una diferencia de potencial de +20 000 voltios ioniza el nitrógeno del aire alrededor del emisor; estos iones se dirigen hacia una diferencia de potencial de –20 000 voltios en el colector; las colisiones de estos iones con las moléculas neutras del aire provocan un flujo de aire que propulsa el avión por conservación del momento lineal. El prototipo es un monoplano con alas de cinco metros y 2.5 kilogramos de peso, capaz de recorrer una pista de baloncesto a una velocidad de 4.8 metros por segundo, consumiendo una potencia eléctrica de 600 vatios. Futuros diseños mejorarán estos números.

El elemento clave de este motor iónico es el uso de baterías de muy bajo peso capaces de producir una descarga de alta capacidad durante mucho tiempo. Se ha usado un banco de 54 baterías de polímero-ión litio (3.7-V E-Flite 150 mAh Li-Po) conectadas en serie. Gracias a ello se alcanza una alta capacidad de descarga (45 C), con una corriente pico de descarga de 6.75 A, durante unos 90 s, consumiendo unos 600 W. Así se puede producir la diferencia de potencial de 40 kV durante este tiempo, y con ella una fuerza de empuje de 3 N, es decir, 6.25 N/kW. El monoplano ha recorrido los 40 m de la pista de baloncesto, momento en el que se ha dado la orden de apagar la batería, por lo que podría haber recorrido una distancia un poco más larga. Por supuesto, el prototipo es demasiado delicado para ser usado en el exterior, sometido al viento y a las inclemencias meteorológicas.

El artículo es Haofeng Xu, Yiou He, …, Steven R. H. Barrett, “Flight of an aeroplane with solid-state propulsion,” Nature 563: 532–535 (21 Nov 2018), doi: 10.1038/s41586-018-0707-9; más información en Franck Plouraboué, “Flying with ionic wind,” Nature 563: 476-477 (21 Nov 2018), doi: 10.1038/d41586-018-07411-z, y Editorial, “First flight of ion-drive aircraft,” Nature 563: 443 (2018), doi: 10.1038/d41586-018-07477-9.

La idea que explica el funcionamiento del nuevo motor de viento iónico (ionic-wind engine) es muy sencilla (de hecho, fue propuesta en los 1960). El problema de la electro-aerodinámica (electro-aerodynamics) es cómo generar enormes diferencias de potencial a muy bajo coste, con muy bajo peso y con una alta durabilidad. Los grandes progresos en las baterías que se esperan para los próximos años serán imprescindibles. La fuente de potencia eléctrica ha sido la restricción más importante en el diseño del prototipo (se ha usado la llamada programación geométrica, una técnica de optimización de la geometría de un diseño industrial).

Un punto clave en el diseño del prototipo ha sido usar un diseño minimalista para el motor propiamente dicho, múltiples hilos como emisores y múltiples microalas como colectores; para la sustentación se requiere un gran ala y alerones. La gran cuestión es si este nuevo motor de viento iónico es escalable, pues su competencia son los aviones solares, que usan la energía solar fotovoltaica y alimentan motores eléctricos que también son muy silenciosos (comparados con los motores de combustible sólido).

En resumen, acaba de nacer la electro-aerodinámica y queda mucha investigación por desarrollar para que haya electro-drones comerciales. Aún así, se trata de una interesante propuesta que dará mucho juego a los ingenieros aeronáuticos. Si se cumplen las expectativas sobre las superbaterías para la próxima década, quizás haya electro-drones volando por nuestros cielos antes de 2050.



6 Comentarios

  1. Impresionante. ¿Sabes si eligieron 40 Kv después de ensayos a diferentes tensiones para comprobar la eficiencia, o como solución de compromiso en el diseño de la implementación, (electrónica, electrodos, aislamiento, etc?
    O si esta tensión es un resultado de la programación geométrica.
    Gracias por la claridad del artículo.

    1. FJVA, lo siento pero el artículo en Nature no aclara dicha cuestión. Solo dice que “the weight constraints necessitated the design and construction of both a custom battery stack and a custom high-voltage power converter (HVPC) which stepped up the battery voltage to 40 kV”; pero no da más detalles.

  2. El funcionamiento es parecido a los desionizadores idustriales sin ventilador, estos generan una presión de iones + y – usando corriente alterna que neutralizan superficies cargadas >10kV, el problema que le veo es que si sería capaz de funcionar en condiciones de turbulencia.

    Gracias Francis por tenernos entretenidos con lo que más nos gusta.

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 22 noviembre, 2018
Categoría(s): ✓ Aerodinámica • Ciencia • Nature • Noticias • Science
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