כמו ב"מסע בין כוכבים": מהנדסים בנו את המטוס הראשון שממריא בשקט מוחלט - מדע - הארץ

כמו ב"מסע בין כוכבים": מהנדסים בנו את המטוס הראשון שממריא בשקט מוחלט

בניגוד לחלקים המסתובבים של מנועי המטוסים היום, הפיתוח החדש נעזר במנוע יונים, שמייצר שדה חשמלי הדוחף את האוויר אחורה - ואת המטוס קדימה. המהנדסים הצליחו להטיס את המטוס למרחק של 60 מטרים – מעט יותר מהטיסה הראשונה של האחים רייט

שתפו כתבה במיילשליחת הכתבה באימייל
המטוס השקט
צילום: מתוך היוטיוב של Nature

מאז שהאחים וילבור ואורוויל רייט בנו את המטוס הראשון שלהם ב-1903, כל המטוסים שהמריאו מעל פני האדמה עשו זאת בעזרת מנועים עם חלקים נעים. ה-Wright Flyer של האחים רייט עשה זאת בשימוש בשני מדחפים המונעים בדלק, שהיו בוודאי רועשים ומסריחים למדי, וגם להבי הטורבינות במטוסי הסילון של היום אינם שקטים במיוחד. אולם צוות מהנדסים במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT) עשה באחרונה היסטוריה: הם בנו את המטוס הראשון שממריא לאוויר בשקט מוחלט, וללא חלקים נעים.

במקום שימוש במדחפים או מנועי סילון, המטוס הקטן החדש, שפיתוחו הוצג במאמר שהתפרסם השבוע בכתב העת המדעי Nature, טס בעזרת מה שמכונה מנוע יונים. השיטה נעזרת בדחף שנוצר באלקטרו-אירודינמיקה: שימוש בשדות חשמליים כדי לדחוף את המולקולות של האוויר אחורה – ואת המטוס קדימה. החוקרים מקווים שהטכנולוגיה החדשה תבשר עידן של רחפנים פשוטים ושקטים יותר, ואולי גם סוג חדש וחסכוני יותר של מטוסים מאוישים – אם הם יצליחו להתגבר על האתגר של הגדלת קנה המידה של הטכנולוגיה בכמה סדרי גודל.

הרעיון של שימוש במנועי יונים לבניית מטוסים אינו חדש. הוא הועלה לראשונה בשנות ה-60 של המאה הקודמת ומככב ביצירות מדע בדיוני רבות. למעשה, מנועי יונים משמשים כבר היום בלוויינים כדי לבצע תיקוני מסלול ותנועות דומות בחלל. ואולם, עד היום איש לא הצליח לבנות מטוס הנעזר במנוע יונים שיצליח להרים את עצמו מעל פני הקרקע. "נדרשו שבע שנות עבודה לגרום לו להמריא", אמר לאתר החדשות של כתב העת Science סטיבן ברט, מהנדס אווירונאוטיקה ב-MIT שהוביל את הפרויקט. ברט מוסיף שההשראה לפרויקט היתה סדרת הטלוויזיה והסרטים "מסע בין כוכבים" בה צפה כשהיה ילד.

פרופ' יגאל קרונהאוז מהפקולטה להנדסת אווירונאוטיקה וחלל בטכניון, מסביר כי עיקרון הפעולה של מנועי יונים הוא ששדה חשמלי רב עוצמה מייצר פלזמה, מעין "מרק" שבו האלקטרונים בעלי המטען השלילי נפרדים לגמרי מגרעיני האטומים, שמקבלים מטען חיובי – הופכים למה שנקרא יונים חיוביים. היונים מואצים בשדה החשמלי ומתנגשים במולקולות האוויר, שהן נייטרליות חשמלית ואלה נדחפות מאחורי המטוס - ובהתאם דוחף את המטוס קדימה.

נאס"א וסוכנויות חלל אחרות משתמשות במנועי יונים בחלל כבר זמן מה, ופרופ' קרונהאוז מפתח מנוע יונים עבור נאנו-לוויינים שנבנים בטכניון. אולם מכיוון שבחלל אין אטמוספרה, מנועי היונים שם פועלים בעזרת הודף המוכנס למנוע (גז, נוזל או מוצק) שעובר את תהליך היינון (יצירת האטומים בעלי המטען החשמלי). בניגוד לכך, מנוע היונים של ברט ועמיתיו מיינן את מולקולות החנקן באטמוספרה. לדברי ברט, השימוש במנועי יונים בחלל פשוט בהרבה מאשר באטמוספרה. הלוויינים נעים במסלולם סביב כוכב הלכת בהשפעת כוח המשיכה, והמנועים עצמם צריכים רק לדאוג לתיקוני מסלול קטנים. בעוד שמטוס צריך לייצר מספיק דחף כדי להישאר באוויר למרות כוח המשיכה והחיכוך הלא פוסק עם המולקולות של האוויר.

ברט ועמיתיו בנו מטוס לא מאויש עם מוטת כנפיים של חמישה מטרים ומסה כוללת של 2.45 קילוגרמים. מנוע היונים עצמו בנוי מסדרה של אלקטרודות שדומות בצורתן לווילון ונציאני, המחוברות תחת כנפי המטוס. כל אלקטרודה בנויה מכבל פלדת אל חלד עם מטען חיובי שניצב במרחק של כמה סנטימטרים מפרוסת קצף מצופה אלומיניום עם מטען שלילי. המטוס מצויד בבטריות ובמגבר שמספק למנוע מתח של 40,000 וולט. ברט סיפר עוד כי הוא וצוותו בחנו את המטוס באולם ההתעמלות של MIT בשעות מוזרות של הלילה, כדי לא להפריע לאימונים במקום. אחרי אינספור התרסקויות, הם תכננו מקלע שמשגר את המטוס לאוויר. לבסוף, המטוס הצליח לטוס למרחק של 60 מטרים – מעט יותר מהטיסה הראשונה של האחים רייט – בתוך כעשר שניות ובגובה ממוצע של חצי מטר מעל פני הקרקע. 

חוקרים אחרים מתפעלים מההישג המדעי, אבל מזהירים כי הניסיון להשתמש בטכנולוגיה להטסת מטוסים גדולים וכבדים יותר צפוי להיתקל בקשיים משמעותיים. הבעיה העיקרית היא שגם העלייה בגודל המטוס, משקלו צפוי לגדול מהר יותר ממוטת הכנפיים שלו. לכן, כדי להישאר באוויר, מטוס גדול יותר נדרש להפיק יותר דחף לכל מידת שטח של כנפיים – והפתרונות המדעיים לכך עוד לא קיימים. "המגבלה היא היחס בין הדחף להספק – כמה דחף אפשר לייצר מהספק חשמלי", מסביר פרופ' קרונהאוז.

ברט עצמו לא פוסל את האפשרות שמנועי יונים יסייעו להטיס בני אדם בעתיד. "יש עוד דרך ארוכה כמובן, ויש עוד דברים רבים שאנחנו צריכים לשפר כדי להגיע לשם", הוא אומר. "אבל אני לא חושב שיש פה משהו שהוא בלתי אפשרי מבחינה עקרונית". לדבריו, אפשר לשפר את תפוקת הדחף בייעול הבטריות והממיר, בשימוש בשיטות שונות להפקת יונים, או בשיפור האירודינמיות של עיצוב המטוס עצמו. אפשרות נוספת היא הנעת המטוס באנרגיה סולארית – מלוחות על כנפי המטוס – וככה לחסוך גם את משקל הבטריות. כמו כן, ברט לא פוסל את האפשרות של שילוב בין הנעה סילונית רגילה למנועי יונים – שיחסכו בדלק ובזיהום אוויר.

אולם גם אם מנועי יונים לא ישמשו לטיסות מסחריות בעתיד הקרוב, שימוש נוסף שלהם יכול להיות בהנעת ציי הרחפנים של העתיד. חברות רבות מתכננות להשתמש ברחפנים בערים הגדולות למטרות כמו מסירת משלוחים וכדומה. לא קשה לדמיין את מטרדי הרעש שייווצרו משמי העיר המלאים ברחפנים מזמזמים. האפשרות שהם יטוסו ממקום למקום עם מנועי יונים בשקט מוחלט יכולה להיות שיפור משמעותי בהשוואה לחזון זה.

תגיות:

תגובות

הזינו שם שיוצג כמחבר התגובה
בשליחת תגובה זו הנני מצהיר שהינני מסכים/ה עם תנאי השימוש של אתר הארץ