在薄薄的白色面紗後面，這層面紗將他的臨時實驗室與麻省理工學院室內跑道上的慢跑者隔開，航空航天工程師史蒂文·巴雷特最近試飛了有史以來第一架由離子風推進器提供動力的飛機——這種電動引擎透過產生和發射帶電粒子來產生動力。
即使按照巴雷特的說法，使用這種原理來飛行飛機長期以來一直是一個“牽強的想法”，是科幻小說的素材。但他仍然想嘗試。“在《星際迷航》中，你有太空梭靜靜地滑過，”他說。“我想，‘我們應該有那樣的飛機。’”
認為離子風推進可能符合要求，他花了八年時間研究這項技術，然後決定嘗試製造一架原型微型飛機——儘管他認為這架飛機有點醜。“它是一種髒黃色，”他說，並補充說黑色油漆通常含有碳——碳導電，導致之前的迭代版本燒燬。
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巴雷特對最新的原型機寄予了稍高的期望，他冷靜地將其命名為 2.0 版本。“在開始試飛之前，我認為它可能有 50% 的機會，”他說。“我在麻省理工學院的同事認為它成功的機會更像是 1%。”
來源：麻省理工學院
但與之前的原型機不同，之前的原型機都墜落到地面，2.0 版本在空中飛行了近 200 英尺，時速約為 11 英里/小時（17 公里/小時）。沒有可見的尾氣，也沒有噴氣發動機的轟鳴聲或螺旋槳的呼嘯聲——實際上根本沒有活動部件——這架飛機似乎是由一種空靈的來源靜靜地驅動。“這非常令人興奮，”巴雷特說。“然後它撞到了牆上，這不太理想。”
儘管如此，2.0 版本還是成功了，巴雷特和他的同事於週三在《自然》雜誌上發表了他們的成果。佐治亞理工學院的航空航天工程師米切爾·沃克說，這次飛行是其他人嘗試過但失敗的壯舉，他沒有參與新飛機的研究。“[巴雷特] 證明了一些真正獨特的東西，”他說。離子推進器並不是一種特別新的技術；它們已經非常有效地幫助推動航天器——但它們與火箭或噴氣發動機相去甚遠，通常只是在軌道上輕推航天器到位。它們還推動了深空探測器，例如黎明號前往小行星帶的任務。在近乎真空的太空中，離子推進器必須攜帶 onboard 氣體供應，它們將氣體電離並噴射到相對空曠的空間中以產生推力。然而，當涉及到在地球稠密的大氣層中移動時，“每個人都看到[離子推進器]的速度不足以推動飛機，”沃克說。“沒有人知道如何前進。”
但巴雷特和他的團隊弄清楚了使 2.0 版本成功的三個主要因素。第一個是離子風推進器設計。2.0 版本的推進器由兩排長金屬絲組成，懸掛在其天藍色機翼下方。前排導線承載約 40,000 伏特的電力——是普通家庭電壓的 166 倍，並且有足夠的能量從懸浮在大氣中的大量氮原子上剝離電子。
當這種情況發生時，氮原子變成帶正電的離子。由於後排金屬絲帶有負電荷，離子像磁化的檯球一樣衝向它。“在這個過程中，這些離子和中性空氣分子之間發生了數百萬次的碰撞，”巴雷特指出。這會將空氣分子推向飛機後部，產生一股風，推動飛機向前快速飛行。
沃克指出，巴雷特團隊提出的另一項創新是設計了一種輕巧但功能強大的電力系統。他說，在這架飛機之前，沒有人創造出一種系統，可以有效地將輕型電池的電力轉換為足以產生推進器所需電壓的電力。“最大的挑戰是[離子推進器]需要 20,000 或 30,000 伏特才能工作。在飛機上獲得高壓並非易事，”他說。“你想在飛機上玩 40,000 伏特的電壓？這項技術不存在。史蒂夫[巴雷特] 找到了一種巧妙的方法來實現這種高效轉換。”
最後，巴雷特使用計算機模型來充分利用飛機中每個設計元素，從推進器和電力系統設計到貫穿飛機的電線。“電源轉換器、電池、電容器和機身——一切都經過了最佳化，”巴雷特說。“模擬一直失敗。我們不得不進行數百次更改。”最終，他們獲得了成功的 2.0 版本。
密歇根大學航空航天工程師亞歷克·加利莫爾說，這項突破提供了一個很好的概念驗證，表明離子推進器可以在地球上使用，他沒有參與這項工作。但任何此類用途都可能僅限於有限的容量。螺旋槳和噴氣發動機仍然比巴雷特演示的離子風推進器效率高得多，這使得客機不太可能在短期內改用離子風推進器。但推進器有一個關鍵優勢：“沒有聲音產生。因此，[無人機]用於建築物檢查或類似用途”將是這些推進器的理想應用，加利莫爾指出。
或者，巴雷特補充說，用於交付、拍攝或環境監測的無人機。“想象一下 10 或 20 年後——我們可能會到處都是無人機，”他說。“如果這些無人機都很吵，它們會降低我們的生活質量。但這種無人機是靜音的。”