Depuis que le premier avion a pris son envol il y a plus de 100 ans, pratiquement tous les avions dans le ciel volaient à l’aide de pièces mobiles telles que des hélices, des aubes de turbine et des ventilateurs, qui sont alimentés par la combustion de combustibles fossiles ou par des batteries électriques.

Les ingénieurs du MIT ont construit et piloté le tout premier avion sans pièces mobiles. Au lieu d’hélices ou de turbines, l’avion léger est alimenté par un « vent ionique », un flux d’ions silencieux mais puissant qui se produit à bord de l’avion et génère une poussée suffisante pour le propulser sur un vol soutenu et régulier.

Contrairement aux avions à turbine, l’avion ne dépend pas de combustibles fossiles pour voler. Et contrairement aux drones à hélices, le nouveau design est totalement silencieux.

« Il s’agit du tout premier vol d’un avion dépourvu de pièces mobiles dans le système de propulsion », explique Steven Barrett, professeur agrégé d’aéronautique et d’astronautique au MIT. « Cela ouvre de nouvelles possibilités qui pourraient rendre les aéronefs plus silencieux, plus simples mécaniquement et moins polluants ».

A court terme, de tels systèmes de propulsion ionique pourraient être utilisés pour piloter des drones plus silencieux. Plus tard, une propulsion ionique associée à des systèmes de combustion plus conventionnels pourrait propulser des avions de passagers hybrides plus économes en carburant.

Barrett et son équipe du MIT ont publié leurs résultats dans la revue Nature.

Barrett dit que son inspiration pour l’avion ionique de l’équipe provient en partie de la série télévisée « Star Trek », qu’il a regardé pendant son enfance. Il était particulièrement attiré par les avions de navigation futuristes qui se déplaçaient sans effort, avec peu de pièces en mouvement et sans aucun bruit ou presque.

Il y a environ neuf ans, Barrett a commencé à chercher des moyens de concevoir un système de propulsion pour avions sans pièces mobiles. Il s’est finalement orienté vers les technologies de « vent ionique » également connu sous le nom de poussée électroaérodynamique – principe physique qui a été identifié pour la première fois dans les années 1920 et décrit un vent, ou poussée, qui peut être produit lorsqu’un courant passe entre une électrode mince et une électrode plus épaisse. Si la tension est suffisante, l’air entre les électrodes peut produire une poussée suffisante pour propulser un petit avion.

Pendant des années, la poussée électroaérodynamique a fait l’objet de projets de passionnés pour la plupart limitées à de petits « élévateurs » de bureau reliés à une source d’alimentations suffisamment importante pour permettre à un petit objet de rester brièvement en vol stationnaire. Il était largement supposé qu’il serait impossible de produire suffisamment de vent ionique pour propulser un avion plus gros pendant un vol durable.

Les ions prennent leur envol

Le prototype ressemble à un grand planeur léger, pèse environ 5 livres et a une envergure de 5 mètres. L’avion est doté d’un réseau de fils minces, qui sont suspendus comme une clôture horizontale le long de l’extrémité avant de son aile et sous celle-ci. Les fils agissent comme des électrodes chargées positivement, tandis que des fils plus épais disposés de la même manière, le long de l’extrémité arrière de l’aile de l’avion, servent d’électrodes négatives.

Le fuselage de l’avion contient une pile de batteries lithium-polymère. L’équipe qui a mis au point cet avion comprenait des membres du groupe de recherche du professeur David Perreault au sein du laboratoire de recherche en électronique, qui a conçu une alimentation capable de convertir la sortie des batteries en une tension suffisamment élevée pour propulser l’avion. Ainsi, les batteries ont une capacité électrique de 40 000 volts, ce qui permet de charger positivement les fils via un convertisseur de puissance léger.

Une fois que les fils sont sous tension, ils agissent comme un aimant géant attirant la limaille de fer. Les molécules d’air sont attirées par les électrodes chargées négativement à l’arrière de l’avion.

Alors que le nuage d’ions nouvellement formé s’écoule vers les fils chargés négativement, chaque ion se heurte des millions de fois à d’autres molécules d’air, créant une poussée qui propulse l’avion en avant.

Les membres de l’équipe, Thomas Sebastian et Mark Woolston, du Lincoln Laboratory, ont effectué plusieurs vols d’essai à travers le gymnase du du Pont Athletic Center du MIT, le plus grand espace intérieur disponible pour leurs expériences. L’équipe a piloté l’avion sur une distance de 60 mètres (la distance maximale à l’intérieur du gymnase) et a découvert que l’appareil produisait une poussée ionique suffisante pour supporter le vol pendant tout le temps nécessaire à l’expérience. Ils ont répété le vol 10 fois, avec des performances similaires.

« C’est l’avion le plus simple que nous puissions concevoir pour prouver le concept selon lequel un avion à ions peut voler » déclare Barrett.

L’équipe de Barrett s’efforce d’accroître l’efficacité de sa conception afin de produire un vent ionique plus important avec moins de tension. Les chercheurs espèrent également augmenter la densité de poussée, c’est-à-dire la quantité de poussée générée par unité de surface. Actuellement, le prototype nécessite une grande surface d’électrodes, qui constitue essentiellement le système de propulsion de l’avion. Dans l’idéal, Barrett voudrait concevoir un avion sans système de propulsion visible ou avec des surfaces de contrôle séparées telles que les gouvernes de direction.