Chiếc máy bay không cánh quạt đầu tiên đã cất cánh

Một nhóm nghiên cứu của đại học MIT đã chế tạo chiếc máy bay đầu tiên dùng gió ion, tức hệ thống phản lực không dùng đến cánh quạt hay turbin gió. Các nhà nghiên cứu tính toán rằng hiệu suất của thiết kế có thể tăng gấp đôi chỉ đơn giản bằng cách chế tạo một chiếc máy bay to hơn.

Gió ion

Ở máy bay truyền thống, không khí bị đẩy ra sau bằng các bộ phận chuyển động của máy bay như cánh quạt hay turbin trong động cơ phản lực. Nhưng khoa học đã biết rằng cũng có thể dùng điện trường để đẩy không khí di chuyển.

Khó khăn là ở chỗ: không khí đa phần là các hạt phân tử không tích điện, nên chúng không phản ứng với điện trường. Nhưng ở mức điện áp cao, có thể ion hóa các phân tử nitơ và oxy trong không khí, cũng giống như trong trường hợp sét đánh.

Các electron được giải phóng sẽ di chuyển với tốc độ cao, va chạm với các phân tử khác và lại tiếp tục ion hóa một số phân tử. Nếu điều này xảy ra trong một điện trường, tất cả các ion sẽ bắt đầu di chuyển về phía điện cực đối ngược. Trong quá trình đó, các ion cũng va chạm với các phân tử bình thường và đẩy chúng theo. Các dòng phân tử di chuyển trong không khí như thế này được gọi là gió ion:

Tuy nhiên, các tính toán từ hàng thập niên trước nói rằng không thể tạo ra đủ lực đẩy bằng gió ion. Nhưng nhờ có các cải tiến mới trong công nghệ chế tạo pin, thiết bị điện tử và vật liệu, một nhóm nghiên cứu của MIT đã quyết định đối mặt với vấn đề này.

Họ đã phải giải quyết nhiều vấn đề như:

• Điện trường của gió ion càng yếu thì pin sẽ kéo dài càng lâu, nhưng nếu giảm điện trường xuống quá yếu thì sẽ chẳng có gì bị ion hóa cả.
• Vì lực đẩy trên đơn vị diện tích là rất thấp, sẽ rất tốt nếu có thể lắp đặt một hệ thống đẩy riêng, nhưng hệ thống này sẽ tăng thêm lực cản và làm chậm máy bay đi nữa.

Sau nhiều lần điều chỉnh thiết kế của máy bay, các nhà nghiên cứu khám phá ra rằng có thể tạo ra lực đẩy đủ lớn để làm cho nó bay được: “Hiệu suất đạt được cho thấy có thể tạo ra máy bay không người lái có cánh gắn cố định và vận hành bình ổn, trong điều kiện giới hạn công nghệ và vật liệu cùng công nghệ điện tử ngày nay.”

Điểm cân bằng

Thiết kế được chọn có mặt trước của cánh là các hàng dây mỏng, nơi sẽ ion hóa nitơ và oxy. Phía sau đó là một lớp kim loại mỏng phủ điện tích, giúp tăng thêm lực nâng và cho phép tạo ra điện trường để tăng tốc các phân tử ion hóa từ hàng dây phía trước cho tới lớp kim loại mỏng.

Thiết bị này cần được gắn pin và các thiết bị điện tử để hoạt động, cũng như cần có cánh và phần thân để biến nó thành một máy bay thực sự. Một vài bộ phận là không có sẵn mà nhóm phải tự thiết kế và chế tạo ra.

Để chế tạo phần thân, nhóm đã viết một thuật toán rồi nhập vào đó các giới hạn yêu cầu, để máy tính tối ưu hóa các lựa chọn trong phạm vi chiều dài cánh cho phép.

Kết quả cuối cùng là một thiết bị có sải cánh 5m, phần thân mỏng chứa pin và các thiết bị điện tử, và ở cuối là phần đuôi. Bên dưới cánh là 4 hàng dây/lớp kim loại mỏng giúp ion hóa. Toàn bộ thiết bị chỉ nặng chưa tới 2,5kg.

Khi được một chiếc “máy phóng” bắn đi, chiếc máy bay này có thể lượn xa tới 10m khi tắt điện. Còn khi gió ion được bật lên, nó có thể bay xa tới 60m và thường tăng độ cao khi tăng cường độ điện trường lên. Tính toán đo đạc cho thấy, các thiết bị đẩy tạo ra tổng cộng 5 Newton trên mỗi kilowatt, tức cũng ngang bằng với công suất của động cơ phản lực. Nhưng bởi thiết bị còn nhiều thiếu sót, hiệu suất nói chung chỉ đạt 2,5% – thua xa các máy bay thông thường.

>> Một thời “nữ hoàng của bầu trời”, Boeing 747 sẽ không còn chở khách nội địa ở Mỹ

Tuy vậy, các nhà nghiên cứu chỉ mới đang bắt đầu và họ còn một danh sách dài các cải tiến có thể thực hiện. Chỉ cần dùng cánh lớn hơn và tốc độ cao hơn là có thể tăng hiệu suất lên 5% mà không cần thay đổi gì trong công nghệ. Ngoài ra còn có thể thử các cách tạo ra ion khác, thiết kế điện cực khác giúp giảm lực cản hay dùng các thiết bị điện tử có hiệu năng cao hơn… tất cả đều sẽ góp phần cải tiến thiết bị thêm nữa.

Vẫn còn quá sớm để nghĩ tới các thiết bị bay yên lặng dùng trong thành thị, hay máy bay theo dõi môi trường có thể ở trên không bao lâu tùy thích, và ngược lại, vẫn có khả năng nghiên cứu này sẽ chỉ dừng lại là một vài thí nghiệm bay hiếu kỳ mà thôi. Chúng ta sẽ cần xem xem khi công nghệ phát triển hơn, loại thiết bị này sẽ được cải tiến thêm nữa ra sao.

Bạn có thể xem chiếc máy bay này cất cánh trong video phóng sự sau: