Vliegtuig met ionenmotor: stil, weinig uitstoot en minder kwetsbaar

Techniek Voor het eerst bleef een testvliegtuigje in de lucht met een ionenmotor. Maar een echt vliegtuig zal er voorlopig niet mee vliegen.

Het ontwerp van het elektrodynamische vliegtuig. Het toestel wordt niet aangedreven door een motor met bewegende onderdelen, maar door geïoniseerde lucht die naar achter wegstroomt. illustraties MIT

Een elektrisch vliegtuig zonder bewegende onderdelen dat nauwelijks broeikasgassen produceert en bijna geruisloos door de lucht zoeft. Dit zal niet de manier worden waarop we in groten getale de wereld over vliegen, maar het is onderzoekers van de Amerikaanse technische universiteit MIT wel gelukt om een functionerend vliegtuigje van 2,5 kilogram met een spanwijdte van 5 meter te bouwen dat met deze elektrische techniek kan vliegen. Het toestelletje vloog in een sportzaal ongeveer zestig meter met ruim zeventien kilometer per uur op een halve meter hoogte. Dat schrijven de onderzoekers in een artikel dat donderdag verscheen in Nature.

Elektrische voortstuwing zonder bewegende onderdelen heeft verschillende voordelen. Roterende motoren zijn kwetsbaar en gaan snel stuk. Bovendien zijn ze vaak een bron van hinderlijk geluid. Een vliegtuig zonder draaiende propeller of turbine is veel stiller. Verder gebruikt het elektriciteit in plaats van fossiele brandstoffen, waardoor het toestelletje nauwelijks broeikasgassen produceert.

Het MIT-vliegtuigje bestaat uit twee niet beweegbare vleugels, een stevig middenstuk en een staart. In het midden hangen aan beide kanten vier sets van twee elektrische stroken. Van die tweetallen bestaat de voorste uit een dun draadje en de achterste uit een bredere strook folie. Het klinkt onmogelijk, maar die duo’s zorgen voor de voortstuwing van het vliegtuigje. Dat doen ze door een zogenoemde ionenwind op te wekken.

Ionen zijn elektrisch geladen atomen of moleculen. De ionen worden geproduceerd bij de voorste draadjes. Dat gebeurt als volgt: rondom de dunne draadjes wordt een elektrisch veld aangelegd door een spanning op de draden te zetten. De spanning op de draden is hoog: +20 kilovolt. Dat elektrische veld is hoog genoeg om elektronen uit de moleculen te trekken. Daardoor veranderen de eerst ongeladen moleculen in geladen ionen. Daarnaast komen hierbij extra elektronen vrij, die weer andere moleculen in de omgeving ioniseren. Zo ontstaat er een cascade aan vrije elektronen en ionen.

Versnellende ionenwind

De ionen worden vervolgens aangetrokken door de stroken folie achterin, waarop een spanning van -20 kilovolt op staat. Daardoor ontstaat er een stroom ionen die van de positief geladen draadjes naar de negatief geladen folies trekt, door het open vliegtuigje heen. Onderweg botsen de ionen tegen ongeladen moleculen in de lucht waardoor die ook meestromen naar achteren. Die versnellende ionenwind levert de stuwkracht die het vliegtuigje vooruit duwt.

Omdat de lucht grotendeels uit stikstof bestaat, zijn het vooral stikstofmoleculen die geïoniseerd worden. Die kunnen schadelijke stikstofoxiden en ozon vormen. „We weten nu niet hoeveel daarvan ontstaat”, zegt hoogleraar Steven Barrett van MIT aan de telefoon. „In vervolgonderzoek gaan we het meten en bekijken hoe we het kunnen tegengaan.”

Deze voortstuwingstechniek is niet nieuw, mailt Arvind Gangoli Rao, onderzoeker bij de Faculteit Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek van de TU Delft. In de ruimtevaart wordt een variant van de ionenmotor gebruikt om ruimtesondes voort te stuwen. En in eerder onderzoek is de techniek gebruikt om verstorende effecten aan vliegtuigoppervlakken tegen te gaan. Deze effecten, bijvoorbeeld turbulente luchtstromen, verhogen de weerstand die het vliegtuig ondervindt. De opgewekte ionenwind kan het brandstofgebruik terugdringen door die verstoringen tegen te gaan.

Eerder werd het niet voor mogelijk gehouden dat elektrisch opgewekte ionenwind een heel vliegtuig in de lucht zou kunnen houden, daarvoor was de stuwkracht te zwak. Dat het de MIT-onderzoekers nu toch lukt, komt doordat elektronica nu krachtig genoeg is om de hoge voltages in een kleine accu te produceren.

Verder hebben ze een computerprogramma gebruikt dat berekent hoe het vliegtuigje eruit moet zien om optimaal te werken. Zo bepaalden ze het gewicht, de spanwijdte, de grootte van de accu en andere onderdelen.

Tien testvluchten

Het toestel maakte tien testvluchten in een sportzaal. Toestemming om met het vliegtuigje met hoge voltages buiten te vliegen, kregen de onderzoekers niet. Omdat de vliegruimte binnen beperkt was, schoten de onderzoekers het toestel met een elastiek de lucht in, waarna het zelfstandig verder vloog. Om het effect van het elastiek te bepalen, voerden ze ook tien vluchten uit zonder dat de elektronica aanstond. Daarbij kwam het toestel nauwelijks tien meter ver voordat het neerstortte.

In de tests werd 2,5 procent van de elektrische energie omgezet in voortstuwing. De onderzoekers schrijven dat ze die efficiëntie met de huidige technologie kunnen verdubbelen door verder te optimaliseren. „Een vliegtuig zal er voorlopig niet mee vliegen”, zegt Barrett, „maar ik denk wel aan het gebruik in drones, die zonder propellers minder geluidshinder veroorzaken.”

„Het is interessant onderzoek”, schrijft Gangoli Rao. „Maar het lijkt me niet mogelijk om een groot vliegtuig met enkel deze ionische voortstuwing te laten vliegen.” Daarvoor is het rendement te laag. Een traditionele elektrisch aangedreven propeller haalt immers gemakkelijk meer dan 80 procent.

Zal er dan ooit wel een vliegtuig of drone komen die enkel met ionenwind wordt voortgestuwd? „Een drone kan, maar dat is zonde van de energie”, vindt Gangoli Rao. „Een elektrisch vliegtuig met propellers is efficiënter en minder vervuilend.”

    • Dorine Schenk