עקב אכילס של רוב מנועי המטוסים הוא החלקים הנעים, הנשחקים ודורשים תחזוקה קפדנית. קבוצת חוקרים מ-MIT יצרה מטוס עם מנוע יוני, שאין בו שום חלקים נעים

לראשונה אי פעם: חוקרים הצליחו להטיס מטוס בעל מנוע שאין בו שום חלקים נעים. קבוצת מחקר בראשותו של פרופ' סטיבן בארט (Barrett) מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT) פרסמה את ההישג בירחון המדעי Nature. המטוס טס מרחק של 60 מטרים בתוך אולם התעמלות, תוך שימוש בטכנולוגיה חדשה המנצלת מתח גבוה בין שתי אלקטרודות כדי ליינן את האוויר ולייצר רוח, המפעילה על כנף המטוס את כוח העילוי הדרוש לטיסה.

המטוס בטיסת הניסוי שלו | Steven Barrett (MIT)
המטוס טס מרחק של 60 מטרים בתוך אולם התעמלות | צילום: Steven Barrett, MIT

בעקבות האחים רייט

לפני 115 שנה, ב-17 בדצמבר 1903, המריא אורוויל רייט במטוס שבנה יחד עם אחיו בחנות האופניים שלהם באוהיו. הטיסה, שנערכה בחוף הסמוך לעיירה קיטי הוק בצפון קרוליינה, התבצעה לאחר שהאחים כבר צברו ניסיון לא-מבוטל בטיסה: הם ביצעו מאות ריחופים מעל החוף בדאונים, כלי טיס חסרי מנוע. רק כאשר הצליחו לפתח מנוע חדשני וקל, שיכלו להתקין בכלי הטיס החדש שלהם מבלי להכביד עליו יותר מדי, התנסו לראשונה בטיסה ממונעת.

המרחק בין דייטון, עיר מגוריהם של האחים, לבין העיירה קיטי הוק הוא כיום כ-12 שעות נסיעה. ב-1903, אין ספק שזמן הנסיעה היה ארוך הרבה יותר. מדוע טרחו האחים לנסוע כה רחוק כדי לערוך את הניסויים שלהם? הסיבה העיקרית היא, שכדי שכנף תפעל (כלומר, תייצר כוח עילוי), האוויר צריך לנוע על פניה במהירות. בחוף קיטי הוק נושבת בדצמבר רוח ערה ויציבה. בשבוע שבו אני כותב כתבה זו, למשל, מהירות הרוח בקיטי הוק היא 28 קמ"ש, לא כל כך רחוק מהממוצע העונתי. לשם השוואה, בחיפה מהירות הרוח היום היא 10 קמ"ש.

דרוש: עילוי

אם כן, בשביל לטוס דרוש אוויר שזז, ומהר. חתך הרוחב המיוחד של כנף, הנקרא באנגלית airofoil (או בעברית לועזית: "פרופיל אווירודינמי"), מסיט כלפי מטה את זרם האוויר המהיר החולף על פני הכנף. הדרך המדויקת שבה האוויר מוסט, וההבדל בין צורת החלק העליון של הכנף לבין צורת חלקה התחתון, גורמים ללחץ אוויר נמוך יותר על פני חלקה העליון של הכנף בהשוואה לחלקה התחתון. הפרש הלחצים הזה מפעיל על הכנף כוח עילוי, והמטוס ממריא.

כיום, הדרך המקובלת לייצר תנועת אוויר על פני הכנף היא להזיז את המטוס עצמו ביחס לאוויר. תנועה זו מושגת בעזרת מנועי בערה פנימית או מנועים חשמליים: שרפה של דלק או סוללה חשמלית (או אנרגיה סולרית) מספקים למנוע את הכוח הדרוש כדי להניע את המטוס קדימה במהירות שמאפשרת המראה. אך במנועים כאלה תמיד יש חלקים נעים – גלגלי שיניים, בוכנות, מסבים ותיבות הילוכים. אלה הם חלקים המתבלים עם הזמן, ודורשים שימון, בדיקה ותחזוקה מתמדת כדי לוודא את בטיחות הטיסה.

איך מניעים ללא חלקים נעים

המנוע החדש שפיתחו החוקרים מ-MIT אינו מכיל כלל חלקים כאלה. מקור האנרגיה שלו חשמלי, כמו במנוע חשמלי סטנדרטי (כזה שיש במכונית צעצוע, במקדחה חשמלית או במכוניות של חברת טסלה), אבל מנגנון הפעולה שונה לגמרי.

במקום לייצר תנועה בצורה מכנית, כגון על ידי הזזה של להבי מדחף, המנוע החדש מייצר רוח בעצמו. כדי להצליח במשימה נעשה שימוש יצירתי מאוד במעגל חשמלי פשוט. אם תיקחו סוללת אצבע, תחברו אליה שני חוטי מתכת ואז תחברו את קצות החוטים – המעגל ייסגר וזרם חשמלי יזרום בחוט. כך אפשר, למשל, להדליק נורה. אבל אם החוטים אינם נוגעים זה בזה, לא יזרום זרם. המתח בין החוטים, כלומר הפרש הפוטנציאל ביניהם, הוא כ-1.5 וולט, כך שהאלקטרונים שבחוט המחובר לצד השלילי של הסוללה מרגישים כוח המושך אותם לצד החיובי – אבל כל עוד החוטים אינם נוגעים זה בזה, האלקטרונים אינם יכולים "לקפוץ" מחוט אחד אל החוט האחר ולייצר זרם, כי האוויר שבין החוטים פועל כמבודד. אך אם במקום סוללה של 1.5 וולט נשתמש בסוללה המייצרת מתח גדול יותר, המשיכה תהיה חזקה מספיק בשביל שהאלקטרונים יוכלו לקפוץ על פני המרווח בין החוטים, וייווצר זרם. אנו רואים זאת לפעמים כאשר אנו מכניסים תקע לשקע – מעין "ברקים" העוברים דרך האוויר. ואכן, כך נוצרים גם ברקים אמיתיים: המתח בין ענני סערה לבין הקרקע נעשה גדול מספיק כדי שזרם חשמלי יפרוץ דרך האוויר.

כנף המטוס החדש כוללת מערכים של אלקטרודות, כמו במעגל שתיארנו, שהמתח ביניהן הוא 40,000 וולט. ייצור המתח החשמלי הדרוש מבלי להעמיס על המטוס משקל רב מדי היה אתגר הנדסי נכבד. המערכת שהותקנה על המטוס מייצרת הספק חשמלי לק"ג הגדול פי 10-5 מההספק המתקבל במערכות מסחריות. האלקטרונים הנעים דרך האוויר מאיצים במסלולם מהאלקטרודה השלילית אל האלקטרודה החיובית, ובדרך חלקם פוגעים במולקולות האוויר. האוויר מורכב בעיקר מחנקן, ואלקטרון מהיר הפוגע במולקולת חנקן עשוי לקרוע ממנה אלקטרון. מאחר שלמולקולה כזו חסר אלקטרון, שהוא בעל מטען שלילי, היא נותרת טעונה במטען חשמלי חיובי – כלומר, היא הופכת ליון. המולקולה הטעונה הזאת מתחילה להאיץ אל עבר האלקטרודה השלילית, מכיוון שמטען חיובי נמשך למטען שלילי. יוני החנקן המאיצים פוגעים בדרכם במולקולות אוויר אחרות וגוררים אותן יחד לעבר אחורי הכנף. כך תנועת האלקטרונים לעבר האלקטרודה החיובית יוצרת תנועה של אוויר – רוח, בכיוון ההפוך. הרוח חולפת על פני כנפי המטוס כאילו המטוס הוא שנע קדימה.

הרחפן הלוחש

כאמור, גדולתו של המנוע היוני היא בכך שהוא חף מחלקים נעים, ולכן צפוי להיות אמין מאוד וחסכוני מאוד באנרגיה (שהרי אין חיכוך מכני, המבזבז אנרגיה, בין חלקי המנוע). אך נוסף על כל אלה, הוא צפוי להיות גם שקט מאוד. כך, עולם שבו נהיה מוקפים ברחפנים לשימושים מועילים שונים (משלוחי פיצה למשל) אולי לא בהכרח יתמלא גם בזמזום בלתי פוסק של מדחפים.

 

סרטון המסביר את פעילות המנוע: