100年以上前に初めて飛行機が空を飛んで以来、空を飛ぶほぼすべての航空機は、プロペラやタービンブレード、ファンなどの可動部を利用して飛行してきた。これらは化石燃料の燃焼、または絶え間なく耳障りな音を立てるバッテリーパックによって駆動される。
MITの技術者らが、可動部のない飛行機を初めて製作し、飛行させた。プロペラやタービンの代わりに、この軽量航空機は「イオン風」で動く。機内で生み出されるイオンの流れは、静かでありながら強力で、飛行機を持続的かつ安定して飛ばすのに十分な推力を生み出す。
タービン駆動の飛行機と異なり、この航空機は飛行に化石燃料を必要としない。また、プロペラで飛ぶドローンと異なり、新しい設計は完全に無音だ。
「推進システムに可動部がない飛行機が、持続飛行に成功したのはこれが初めてです」と、MITで航空宇宙工学を教えるスティーブン・バレット准教授は語る。「この成果によって、より静かで機械的にシンプルであり、燃焼による排出物を出さない航空機の、新たな未開拓の可能性が開かれたかもしれません。」
バレットは、近い将来、こうしたイオン風推進システムが騒音の少ないドローンの飛行に使われる可能性があると考えている。さらに先には、イオン推進を従来型の燃焼システムと組み合わせ、燃料効率の高いハイブリッド旅客機やその他の大型航空機を実現する構想を描いている。
バレットとMITの研究チームは、本日、研究成果を学術誌Natureに発表した。
趣味の工作
バレットによると、チームのイオン飛行機の着想は、子どもの頃に夢中で見ていた映画・テレビシリーズ「スター・トレック」から部分的に得たものだ。彼は特に、可動部がないように見え、騒音や排気もほとんど出さずに、空中を軽々と滑空する未来的なシャトルにひかれた。
「これを見て、遠い未来の飛行機にはプロペラもタービンも必要ないはずだと思いました」とバレットは言う。「『スター・トレック』のシャトルのように、青く光るだけで静かに滑空するものになるべきです。」
約9年前、バレットは可動部のない飛行機の推進システムを設計する方法を探し始めた。やがて「イオン風」、別名、電気流体力学的推力という物理原理にたどり着いた。1920年代に初めて確認されたこの原理は、細い電極と太い電極の間に電流を流すことで生じる風、つまり推力を指す。十分な電圧をかけると、電極間の空気が小型航空機を飛ばすのに十分な推力を生み出せる。
長年、電気流体力学的推力は主に愛好家の取り組みで、設計のほとんどは、大型電源につないだ卓上サイズの小さな「リフター」に限られていた。これらは小型機を短時間浮かせるだけの風を生み出す。大型航空機を持続飛行させるだけのイオン風を作るのは不可能だと、広く考えられていた。
「時差ぼけで眠れなかったホテルの夜に、このことを考えて、実現方法を探し始めたのを覚えています。概算してみたところ、そう、実用的な推進システムになり得ると分かったのです」とバレットは語る。「そして、最初の試験飛行にこぎ着けるまでに何年もの取り組みが必要だと分かりました。」
イオンが飛ぶ
チームの最終設計は、大型で軽量なグライダーに似ている。重さ約5ポンド、翼幅5メートルのこの航空機には、複数の細いワイヤーが取り付けられている。ワイヤーは飛行機の翼の前縁に沿って、またその下に、水平の柵のように張られている。これらは正電荷を帯びた電極として働き、翼の後縁に沿って同様に配置された太いワイヤーは、負電極の役割を果たす。
機体の胴体には、リチウムポリマー電池が積まれている。バレットのイオン飛行機チームには、電子工学研究所のデビッド・ペロー教授率いるパワーエレクトロニクス研究グループのメンバーも参加した。彼らは、飛行機を推進させるのに十分な高電圧へと電池の出力を変換する電源装置を設計した。これにより、軽量の電力変換器を通じて、電池から4万ボルトの電気を供給し、ワイヤーを正に帯電させる。
ワイヤーに電圧をかけると、巨大な磁石が鉄粉を引き寄せるように、周囲の空気分子から負に帯電した電子を引き寄せて取り除く。電子を失った空気分子は新たにイオン化され、今度は飛行機後部の負電極に引き寄せられる。
新たにできたイオンの雲が負に帯電したワイヤーに向かって流れると、それぞれのイオンがほかの空気分子と何百万回も衝突し、航空機を前進させる推力を生み出す。
リンカーン研究所のトーマス・セバスチャンとマーク・ウールストンも参加したチームは、実験に使える場所として見つけた中で最大の屋内空間、MITのデュポン・アスレチック・センターの体育館で、複数回の試験飛行を行った。チームは飛行機を60メートル（体育館内で飛ばせる最大距離）飛ばし、その間ずっと飛行を維持するのに十分なイオン推力が生じることを確認した。同様の性能で、飛行を10回繰り返した。
「イオン飛行機が飛べるという概念を実証するために設計できる、最もシンプルな飛行機でした」とバレットは言う。「実用的な任務をこなせる航空機の実現には、まだ道のりがあります。効率を高め、より長く飛び、屋外でも飛べるようにする必要があります。」
フランス・トゥールーズにある流体力学研究所の上級研究員、フランク・プルラブーによると、この新しい設計はイオン風推進の実現可能性を示す「大きな一歩」だ。これまで研究者は、数グラムを超えるものを飛ばせなかったと指摘する。
「この結果の力強さは、イオン風を使ったドローンの安定飛行が持続可能であることを直接示しています」と、研究に参加していないプルラブーは語る。「［ドローンへの応用以外では］将来、航空機の推進にどれほど影響するかを推し量るのは難しい。それでも、これは弱点というより、これから大きく発展する分野における今後の進歩への入り口です。」
バレットのチームは、より低い電圧でより多くのイオン風を生み出せるよう、設計の効率向上に取り組んでいる。また、単位面積あたりに生み出す推力の量を示す推力密度も高めようとしている。現在、チームの軽量飛行機を飛ばすには広い電極面積が必要で、実質的にそれが飛行機の推進システムを構成している。バレットは理想的には、目に見える推進システムや、方向舵や昇降舵などの独立した操縦翼面がない航空機を設計したいと考えている。
「ここまで来るのに長い時間がかかりました」とバレットは言う。「基本原理から実際に飛ぶものを作るまで、物理現象を特性評価し、設計を考案して機能させる長い道のりでした。今では、この種の推進システムの可能性が現実的になっています。」
本研究は、MITリンカーン研究所自律システム部門、アマール・G・ボーズ教授研究助成金、シンガポール・MIT研究技術連携（SMART）の一部支援を受けた。また、MITのチャールズ・スターク・ドレイパーおよびレオナルドのキャリア開発講座を通じた資金提供も受けた。
