Motor iônico tipo Star Trek voa pela primeira vez

Por , em 22.11.2018

Uma equipe de pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (EUA) construiu a primeira aeronave movida por um “vento iônico”, um sistema de propulsão que não requer partes móveis – os motores elétricos geram impulso criando e disparando partículas carregadas.

O projeto foi liderado pelo engenheiro aeroespacial Steven Barrett. “Em Star Trek você tem planadores deslizando silenciosamente. Eu pensei: ‘Nós deveríamos ter aviões assim’”, conta.

A tecnologia

Nas aeronaves convencionais, o ar é empurrado pelas partes móveis, seja pelas hélices ou pelas turbinas nos motores a jato.

Sabemos que também é possível usar campos elétricos para empurrar o ar. O desafio é que o ar é em grande parte feito de moléculas não carregadas que não respondem aos campos elétricos.

Na teoria, em tensões suficientemente altas, é possível ionizar o nitrogênio e o oxigênio que compõem a nossa atmosfera, como os raios fazem o tempo todo. Os elétrons que são liberados se afastam rapidamente, colidem com outras moléculas e ionizam algumas também.

Se isso ocorrer em um campo elétrico, os íons começam a se mover, colidem com moléculas neutras e as impulsionam. O movimento resultante das moléculas atmosféricas é chamado de vento iônico.

Cálculos feitos décadas atrás sugeriram que não era possível gerar uma quantidade prática de impulso usando um propulsor de vento iônico. Dados os avanços em baterias, eletrônicos e materiais, no entanto, Barret decidiu que já era tempo de revisitar a questão.

Sucesso

O engenheiro passou oito anos estudando a tecnologia até construir o primeiro protótipo da aeronave.

Apesar disso, tinha poucas esperanças para seu mais recente modelo, nomeado modestamente de “Versão 2”.

Diferentemente de seu antecessor, contudo, a Versão 2 navegou quase 60 metros pelo ar a cerca de 17 quilômetros por hora. Sem exaustores visíveis e sem jatos ou hélices giratórias – ou seja, sem nenhuma parte móvel -, a aeronave parecia silenciosamente animada por uma fonte etérea.

“Foi muito emocionante”, disse Barrett. “Então colidiu com a parede, o que não era o ideal”.

Façanha

Ainda assim, o voo foi uma verdadeira façanha. Propulsores de íons não são uma tecnologia particularmente nova – já ajudaram a empurrar naves e sondas espaciais muito eficientemente -, mas estão muito longe da eficiência de foguetes ou jatos.

No vácuo do espaço, propulsores de íons precisam carregar um suprimento de gás a bordo que ionizam e lançam no vazio relativo para criar impulso. Quando se trata de passar pela atmosfera espessa da Terra, no entanto, sua velocidade não é suficiente para impulsionar uma aeronave.

Barrett e sua equipe uniram três fatores para fazer a Versão 2 funcionar: um design inovador para o propulsor; um sistema elétrico leve, mas poderoso; e um modelo de computador que simulasse a melhor configuração para todos os elementos da aeronave.

Os propulsores

Os propulsores consistem em duas fileiras de longos fios de metal. A fila da frente conduz cerca de 40.000 volts de eletricidade – 166 vezes a voltagem fornecida a uma casa média.

Isso é energia suficiente para retirar elétrons de átomos de nitrogênio na atmosfera. Quando isso acontece, os átomos se transformam em íons carregados positivamente. Como a fileira de metal de trás carrega uma carga negativa, os íons se inclinam como bolas de bilhar magnetizadas.

“Ao longo do caminho, existem milhões de colisões entre esses íons e moléculas de ar neutro”, observa Barrett. Isso empurra as moléculas de ar em direção à parte de trás do avião, criando um vento que empurra o avião para frente com força e rapidez suficientes para alçar voo.

O sistema elétrico

Antes desta aeronave, ninguém havia criado um sistema que pudesse converter a energia de uma bateria leve com eficiência suficiente para gerar a tensão que os propulsores precisam.

“O maior desafio é que [os propulsores de íons] precisam de 20.000 ou 30.000 volts apenas para funcionar. Alta voltagem em uma aeronave não é fácil. 40.000 volts em uma aeronave? Essa tecnologia não existia”, explicou Mitchell Walker, engenheiro aeroespacial do Instituto de Tecnologia da Geórgia (EUA), que não participou do estudo.

Finalmente, Barrett usou um modelo de computador para obter o máximo de todos os elementos de design da aeronave, desde o propulsor e o sistema elétrico até os fios que atravessam o avião.

“O conversor de energia, a bateria, as tampas e a fuselagem – tudo foi otimizado. As simulações falharam o tempo todo. Tivemos que fazer centenas de mudanças”, conta o pesquisador. No final, a equipe conseguiu construir a triunfante Versão 2.

Hardware

O hardware resultante incluiu uma asa de cinco metros com um corpo fino contendo a bateria e os componentes eletrônicos suspensos abaixo dela, e uma cauda. No total, o avião pesava pouco menos de 2,5 kg.

Usando uma catapulta de lançamento baseada em corda elástica, a nave pode voar cerca de 10 metros quando desligada. Com o vento iônico aceso, cobriu 60 metros.

Medições mostraram que os propulsores geraram coletivamente cinco newtons para cada quilowatt de potência, o que na verdade é similar à saída dos motores a jato. Mas por causa de muitas ineficiências no sistema, a eficácia geral foi de apenas 2,5% – bem abaixo das aeronaves convencionais.

Ainda assim, os pesquisadores têm uma lista enorme de possíveis melhorias. Com asas maiores e uma velocidade maior, a eficiência pode chegar até 5% sem quaisquer alterações na tecnologia subjacente. A equipe também planeja explorar diferentes formas de gerar íons, designs de eletrodos que reduzam o arrasto e/ou sejam integrados na asa e melhor conversão de energia eletrônica.

Aplicações

Embora o experimento tenha sido uma bem-sucedida prova de conceito da tecnologia, seu uso provavelmente teria capacidades limitadas. Hélices e jatos ainda são muito mais competentes do que os propulsores de vento iônicos, tornando improvável que aviões de passageiros mudem tão cedo.

Porém, os propulsores têm uma vantagem fundamental: “Não há geração de som. Então, [drones] para a construção de inspeções ou coisas assim seriam uma aplicação ideal para esses propulsores”, observa Alec Gallimore, engenheiro aeroespacial da Universidade de Michigan (EUA) que não fez parte do estudo.

Barrett acrescenta que drones usados para entregas, filmagens ou monitoramento ambiental também poderiam utilizar a tecnologia. “Poderíamos ter drones por toda parte. Se todos fossem barulhentos, degradariam nossa qualidade de vida. Mas esse é silencioso”, conclui.

Os resultados do estudo foram publicados na prestigiada revista científica Nature. [ScientificAmerican, ArsTechnica]

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