Na altura de uma trovoada, as pontas das torres celulares, postes telefônicos e outras estruturas altas e eletricamente condutivas podem emitir espontaneamente um flash de luz azul. Este brilho elétrico, conhecido como uma descarga de coroa, é produzido quando o ar que envolve um objeto condutor é brevemente ionizado por um ambiente com carga elétrica.
Durante séculos, marinheiros observaram descargas de coroa nas pontas de mastros de navios durante tempestades no mar. Eles cunharam o fenômeno St. Elmo’s fire, depois do patrono dos marinheiros.
Os cientistas descobriram que uma descarga corona pode se fortalecer em condições de vento, brilhando mais intensamente à medida que o vento eletrifica ainda mais o ar. Esta intensificação induzida pelo vento tem sido observada principalmente em estruturas eletricamente aterradas, tais como árvores e torres. Agora os engenheiros aeroespaciais do MIT descobriram que o vento tem um efeito oposto em objetos não aterrados, como aviões e algumas pás de turbinas eólicas.
Em algumas das últimas experiências realizadas no Túnel de Vento Wright Brothers do MIT antes de ser desmontado em 2019, os pesquisadores expuseram um modelo eletricamente não aterrado de uma asa de avião a rajadas de vento cada vez mais fortes. Eles descobriram que quanto mais forte o vento, mais fraca a descarga de corona, e mais fraca o brilho que foi produzido.
Os resultados da equipe aparecem no Journal of Geophysical Research: Atmosferas. A autora principal do estudo é Carmen Guerra-Garcia, professora assistente de aeronáutica e astronáutica no MIT. Seus co-autores no MIT são Ngoc Cuong Nguyen, um cientista de pesquisa sênior; Theodore Mouratidis, um estudante de pós-graduação; e Manuel Martinez-Sanchez, um professor de aeronáutica e astronáutica de pós-tentura.
Fricção elétrica
Com uma nuvem de tempestade, a fricção pode se acumular para produzir elétrons extras, criando um campo elétrico que pode chegar até o solo. Se esse campo for suficientemente forte, ele pode quebrar as moléculas de ar ao redor, transformando ar neutro em um gás carregado, ou plasma. Este processo ocorre mais frequentemente em torno de objetos condutores afiados, tais como torres celulares e pontas de asas, já que estas estruturas pontiagudas tendem a concentrar o campo elétrico de uma forma que os elétrons são puxados das moléculas de ar ao redor em direção às estruturas pontiagudas, deixando para trás um véu de plasma carregado positivamente imediatamente em torno do objeto afiado.
Após a formação de um plasma, as moléculas dentro dele podem começar a brilhar através do processo de descarga corona, onde o excesso de elétrons no campo elétrico ping-pong contra as moléculas, batendo-as em estados de excitação. Para descer desses estados excitados, as moléculas emitem um fóton de energia, num comprimento de onda que, para o oxigénio e azoto, corresponde ao brilho azulado característico do fogo de São Elmo.
Em experiências anteriores de laboratório, os cientistas descobriram que este brilho, e a energia de uma descarga de coroa, pode fortalecer-se na presença do vento. Uma rajada forte pode essencialmente afastar os íons com carga positiva, que estavam protegendo localmente o campo elétrico e reduzindo seu efeito – tornando mais fácil para os elétrons acionar um brilho mais forte e mais brilhante.
Estas experiências foram realizadas principalmente com estruturas elétricas aterradas, e a equipe do MIT se perguntou se o vento teria o mesmo efeito de fortalecimento em uma descarga de coroa que foi produzida em torno de um objeto afiado e não aterrado, como uma asa de avião.
Para testar esta idéia, eles fabricaram uma estrutura simples de asa de madeira e envolveram a asa em papel de alumínio para torná-la condutiva eletricamente. Ao invés de tentar produzir um campo elétrico ambiente semelhante ao que seria gerado em uma trovoada, a equipe estudou uma configuração alternativa na qual a descarga corona era gerada em um fio metálico correndo paralelamente ao comprimento da asa, e conectando uma pequena fonte de energia de alta tensão entre o fio e a asa. Eles fixaram a asa a um pedestal feito de um material isolante que, devido à sua natureza não condutora, essencialmente tornou a própria asa eletricamente suspensa, ou não aterrada.
A equipe colocou toda a configuração no Túnel de Vento Wright Brothers do MIT, e a submeteu a velocidades de vento cada vez maiores, até 50 metros por segundo, pois também variaram a quantidade de tensão que aplicaram ao fio. Durante estes testes, eles mediram a quantidade de carga elétrica acumulada na asa, a corrente da coroa e também utilizaram uma câmera sensível à radiação ultravioleta para observar o brilho da descarga da coroa no fio.
No final, eles descobriram que a força da descarga da coroa e o brilho resultante diminuíram conforme o vento aumentava – um efeito surpreendente e oposto ao que os cientistas têm visto para o vento atuando sobre estruturas aterradas.
P>Puxado contra o vento
A equipe desenvolveu simulações numéricas para tentar explicar o efeito, e descobriu que, para estruturas não aterradas, o processo é largamente similar ao que acontece com objetos aterrados – mas com algo extra.
Em ambos os casos, o vento está soprando para longe os íons positivos gerados pela coroa, deixando para trás um campo mais forte no ar ao redor. Para estruturas não aterradas, porém, por estarem isoladas eletricamente, elas se tornam mais negativamente carregadas. Isto resulta num enfraquecimento da descarga positiva da coroa. A quantidade de carga negativa que a asa retém é definida pelos efeitos concorrentes dos íons positivos soprados pelo vento e daqueles atraídos e puxados de volta como resultado da excursão negativa. Este efeito secundário, os pesquisadores encontraram, atua para enfraquecer o campo elétrico local, assim como o brilho elétrico da descarga corona.
“A descarga corona é a primeira etapa do relâmpago em geral”, diz Guerra-Garcia. “A forma como a descarga corona se comporta é importante e, de certa forma, prepara o palco para o que pode acontecer a seguir em termos de electrificação”
Em voo, aviões como aviões e helicópteros produzem inerentemente vento, e um sistema de corona brilhante como o que foi testado no túnel de vento poderia, na verdade, ser usado para controlar a carga eléctrica do veículo. Ligando-se a algum trabalho anterior da equipe, ela e seus colegas mostraram anteriormente que se um avião pudesse ser carregado negativamente, de forma controlada, o risco do avião ser atingido por um raio poderia ser reduzido. Os novos resultados mostram que a carga de uma aeronave em voo a valores negativos pode ser alcançada usando uma descarga corona positiva controlada.
”O excitante deste estudo é que, enquanto tentamos demonstrar que a carga elétrica de uma aeronave pode ser controlada usando uma descarga corona, descobrimos que as teorias clássicas de descarga corona no vento não se aplicam às plataformas aerotransportadas, que são isoladas eletricamente do seu ambiente”, diz Guerra-Garcia. “As avarias eléctricas que ocorrem em aeronaves apresentam realmente algumas características únicas que não permitem a extrapolação directa a partir de estudos em terra”
Esta investigação foi financiada, em parte, pela The Boeing Company, através do Programa Estratégico Universidades para a Investigação e Tecnologia Boeing.