Pesawat konvensional masih menggunakan mesin dan kipas untuk menciptakan daya dorong. Penelitian terbaru, angin listrik mampu mendorong pesawat untuk terbang secara senyap melalui proses elektroaerodinamis.
Sejak Orville Wright dan Wilbur Wright menerbangkan pesawat terbang pertama pada 17 Desember 1903 di Dayton, Ohio, Amerika Serikat, hingga saat ini semua pesawat terbang masih menggunakan bantuan berupa baling-baling, kipas atau turbin untuk menciptakan daya dorong. Kelemahan komponen tersebut adalah menciptakan suara yang memekakkan telinga.
Namun kini para insinyur Massachusetts Institute of Technology (MIT) telah berhasil menerbangkan pesawat pertama tanpa bagian yang terus bergerak tersebut. Pesawat ringan ini ditenagai oleh angin listrik atau angin ionik (ionic wind), berupa aliran ion yang tidak bersuara namun cukup kuat.
Mengalir melalui sayap angin tersebut menghasilkan daya dorong yang cukup untuk mengangkat dan mendorong pesawat ke depan. Tidak seperti pesawat bertenaga turbin, pesawat tidak bergantung pada bahan bakar fosil untuk terbang, sehingga cukup ramah lingkungan.
"Ini adalah penerbangan berkelanjutan pertama dari sebuah pesawat tanpa bagian yang bergerak dalam sistem propulsi," kata profesor aeronautika dan astronotika di MIT, Steven Barrett, seperti dikutip laman resmi institut tersebut.
Menurut Barret pesawat dengan angin ionik memiliki beberapa keunggulan tersendiri sehingga diklaim memiliki masa depan cerah. "Ini berpotensi membuka kemungkinan baru dan belum dijelajahi untuk pesawat yang lebih tenang, lebih sederhana secara mekanis, dan tidak memancarkan emisi pembakaran," imbuh dia.
Sistem propulsi angin listrik seperti itu diharapkan dapat digunakan untuk menerbangkan drone yang tidak terlalu berisik. Lebih jauh, ia membayangkan propulsi ion dipasangkan dengan sistem pembakaran yang lebih konvensional untuk menciptakan pesawat penumpang hibrida yang lebih hemat bahan bakar dan pesawat besar lainnya.
Barrett mengatakan inspirasi untuk pesawat ion ini sebagian berasal dari film dan serial televisi Star Trek yang dia tonton dengan rajin saat masih kecil. Dia sangat tertarik pada shuttle crafts futuristik yang dengan mudah meluncur di udara. Dari film tidak ada bagian yang bergerak dan hampir tidak ada suara atau knalpot.
"Ini membuat saya berpikir, dalam jangka panjang, pesawat seharusnya tidak memiliki baling-baling dan turbin," kata Barrett. "Mereka seharusnya lebih seperti pesawat ulang-alik di Star Trek, yang hanya memiliki cahaya biru dan meluncur tanpa suara," kata dia.
Prinsip Elektroaerodinamis
Sekitar sembilan tahun yang lalu, Barrett mulai mencari cara untuk merancang sistem propulsi untuk pesawat tanpa bagian yang bergerak. Akhirnya ia menemukan angin listrik yang juga dikenal sebagai dorong elektroaerodinamis, prinsip fisik yang pertama kali diidentifikasi pada 1920-an.
Angin listrik sebagai daya dorong dihasilkan ketika arus dilewatkan antara elektroda tipis dan tebal. Jika tegangan yang cukup diterapkan, udara di antara elektroda dapat menghasilkan daya dorong yang cukup untuk mengangkat pesawat berukuran kecil.
Selama bertahun-tahun, daya dorong elektroaerodinamis sebagian besar merupakan proyek penghobi dan desain sebagian besar terbatas pada pengangkat (lifters) kecil yang ditambatkan ke suplai tegangan besar untuk menghasilkan angin listrik. Pada uji coba itu, Barrett mampu membuat pesawat kecil melayang sebentar di udara pada jarak 20 meter.
Sebagian besar diasumsikan bahwa tidak mungkin menghasilkan angin ion yang cukup untuk mendorong pesawat yang lebih besar dalam penerbangan berkelanjutan. "Itu adalah malam tanpa tidur di sebuah hotel ketika saya mengalami jet-lag, dan saya memikirkan hal ini dan mulai mencari cara untuk melakukannya," kenang dia.
"Saya melakukan beberapa perhitungan dan menemukan bahwa ya, itu mungkin menjadi sistem propulsi yang layak," kata Barrett. "Dan ternyata butuh bertahun-tahun pengabdian hingga sampai ke uji terbang pertama," ungkap dia.
Hasil uji coba yang dilakukan Barrett dan tim dengan pesawat glider besar dan ringan dengan berat 5 pon atau 2,3 kilogram dengan lebar sayap 5 meter. Pada pesawat ini terpasang kabel tipis, yang digantung seperti pagar horizontal di sepanjang dan di bawah ujung depan sayap pesawat.
Kabel bertindak sebagai elektroda bermuatan positif, sementara kabel tebal yang disusun serupa, berjalan di sepanjang ujung belakang sayap pesawat, berfungsi sebagai elektroda negatif. Hasilnya, pesawat dapat terbang sekitar 20 meter dari tempat peluncuran.
Badan pesawat menyimpan setumpuk baterai lithium polymer. Tim pesawat ion Barrett termasuk anggota Power Electronics Research Group, Profesor David Perreault, dari Research Laboratory of Electronics, yang merancang catu daya yang akan mengubah output baterai menjadi tegangan yang cukup tinggi untuk menggerakkan pesawat. Dengan cara ini, baterai memasok listrik pada 40.000 volt untuk mengisi kabel secara positif melalui konverter daya yang ringan.
Setelah kabel diberi energi, mereka bertindak untuk menarik dan melepaskan elektron bermuatan negatif dari molekul udara di sekitarnya, seperti magnet raksasa yang menarik serbuk besi. Molekul udara yang tertinggal baru terionisasi, dan pada gilirannya tertarik ke elektroda bermuatan negatif di bagian belakang pesawat. hay/I-1
Angin Ion Mengangkat Sayap Pesawat
Angin listrik (electric wind) atau disebut juga angin ionik (ionic wind) adalah aliran udara yang diinduksi oleh gaya elektrostatik. Gaya ini terkait dengan pelepasan korona yang timbul di ujung beberapa konduktor tajam (seperti titik atau bilah) yang dikenai tegangan tinggi relatif terhadap tanah.
Angin listrik adalah fenomena elektrohidrodinamik, yaitu hubungan antara medan listrik dan mekanika fluida yang diperlihatkan adanya medium dielektrik. Angin tersebut dihasilkan oleh generator angin ion juga dapat dianggap sebagai pendorong.
Istilah "angin ionik" dianggap keliru karena kesalahpahaman bahwa hanya ion positif dan negatif yang terlibat dalam fenomena tersebut. Sebuah studi 2018 menemukan bahwa elektron memainkan peran yang lebih besar daripada ion negatif selama periode tegangan negatif. Akibatnya, istilah "angin listrik" (electric wind) telah diusulkan sebagai terminologi yang lebih akurat.
Fenomena ini sekarang digunakan dalam pesawat angin ionik Massachusetts Institute of Technology (MIT), melalui pesawat model yang berhasil terbang hingga jarak sekitar 20 meter. Untuk mencapai prestasi sekarang ini, institut tersebut telah mengembangkannya sejak 2018.
Namun sebelumnya pada 1750, B Wilson, mendemonstrasikan gaya recoil yang terkait dengan pelepasan korona yang sama dan prekursor pendorong ion adalah roda kincir pelepasan korona. Pelepasan korona dari lengan kincir yang berputar bebas dengan ujung ditekuk ke titik tajam memberi udara muatan ruang yang menolak titik karena polaritasnya sama untuk titik dan udara.
Francis Hauksbee, kurator instrumen untuk Royal Society of London, membuat laporan paling awal tentang angin listrik pada 1709. Myron Robinson menyelesaikan bibliografi ekstensif dan tinjauan literatur selama kebangkitan minat pada fenomena pada 1950-an.
Pada 2018, para peneliti dari Korea Selatan dan Slovenia menggunakan fotografi Schlieren untuk secara eksperimental menentukan bahwa elektron, selain ion, memainkan peran penting dalam menghasilkan angin ionik. Studi ini adalah yang pertama memberikan bukti langsung bahwa gaya elektrohidrodinamik bertanggung jawab atas terjadinya angin listrik yang disebabkan oleh gaya hambat partikel bermuatan yang terjadi saat elektron dan ion mendorong partikel netral menjauh.
Pada 2018, tim peneliti MIT membangun dan berhasil menerbangkan pesawat prototipe pertama yang didorong oleh angin ion. Mekanisme muatan listrik bersih pada konduktor, termasuk distribusi muatan lokal yang berada seluruhnya pada permukaan luarnya, dan cenderung lebih terkonsentrasi di sekitar titik dan tepi yang tajam daripada pada permukaan datar.
Ini berarti bahwa medan listrik yang dihasilkan oleh muatan pada titik konduktif yang tajam jauh lebih kuat daripada medan yang dihasilkan oleh muatan yang sama yang berada pada kulit konduktif bulat yang besar dan halus. Ketika kekuatan medan listrik ini melebihi apa yang dikenal sebagai gradien tegangan awal pelepasan korona (corona discharge inception voltage/CIV), ia mengionisasi udara di sekitar ujungnya.
Semburan plasma ungu samar kecil dapat dilihat dalam gelap di ujung konduktif. Ionisasi molekul udara di dekatnya menghasilkan molekul udara terionisasi yang memiliki polaritas yang sama dengan ujung bermuatan.
Selanjutnya, ujungnya menolak awan ion yang bermuatan serupa, dan awan ion segera mengembang karena tolakan antara ion itu sendiri. Tolakan ion ini menciptakan "angin" listrik yang berasal dari ujung, yang biasanya disertai dengan suara mendesis karena perubahan tekanan udara di ujung. Sebuah gaya yang berlawanan bekerja pada ujung yang mungkin mundur jika tidak kencang ke tanah.
Generator angin ion baling-baling melakukan fungsi terbalik dengan menggunakan angin sekitar untuk memindahkan ion, yang dikumpulkan. Selanjutnya ion-ion ini menghasilkan energi listrik. hay/I-1
