Ve výšce bouřky mohou špičky mobilních věží, telefonních sloupů a dalších vysokých elektricky vodivých konstrukcí samovolně vydávat záblesky modrého světla. Tato elektrická záře, známá jako korónový výboj, vzniká, když je vzduch obklopující vodivý objekt krátkodobě ionizován elektricky nabitým prostředím.
Po staletí pozorovali námořníci korónové výboje na špičkách lodních stožárů během bouřek na moři. Tento jev nazvali ohněm svatého Elma, podle patrona námořníků.
Vědci zjistili, že korónový výboj může za větrného počasí zesílit a svítit jasněji, protože vítr dále elektrizuje vzduch. Toto zesílení způsobené větrem bylo pozorováno především u elektricky uzemněných konstrukcí, jako jsou stromy a věže. Nyní letečtí inženýři z MIT zjistili, že vítr má opačný účinek na neuzemněné objekty, jako jsou letadla a některé lopatky větrných turbín.
V rámci jedněch z posledních experimentů provedených ve větrném tunelu bratří Wrightů na MIT před jeho demontáží v roce 2019 vystavili vědci elektricky neuzemněný model křídla letadla stále silnějším poryvům větru. Zjistili, že čím silnější vítr, tím slabší korónový výboj a tím slabší záře vznikala.
Výsledky týmu se objevily v časopise Journal of Geophysical Research: Atmospheres. Hlavní autorkou studie je Carmen Guerra-Garcia, docentka aeronautiky a astronautiky na MIT. Jejími spoluautory na MIT jsou Ngoc Cuong Nguyen, vedoucí vědecký pracovník, Theodore Mouratidis, postgraduální student, a Manuel Martinez-Sanchez, profesor aeronautiky a astronautiky s postgraduálním titulem.
Elektrické tření
V bouřkovém mraku může třením vznikat dodatečné množství elektronů a vytvářet elektrické pole, které může dosáhnout až k zemi. Pokud je toto pole dostatečně silné, může rozbíjet okolní molekuly vzduchu a měnit neutrální vzduch v nabitý plyn neboli plazmu. K tomuto procesu dochází nejčastěji v okolí ostrých vodivých objektů, jako jsou věže mobilních telefonů a špičky křídel, protože tyto špičaté struktury mají tendenci koncentrovat elektrické pole takovým způsobem, že elektrony jsou z okolních molekul vzduchu přitahovány směrem ke špičatým strukturám a zanechávají za sebou závoj kladně nabitého plazmatu bezprostředně kolem ostrého objektu.
Jakmile se plazma vytvoří, molekuly v něm mohou začít zářit prostřednictvím procesu koronového výboje, kdy přebytečné elektrony v elektrickém poli ping-pongují proti molekulám a přivádějí je do excitovaných stavů. Aby se z těchto excitovaných stavů dostaly, vyzařují molekuly foton energie o vlnové délce, která pro kyslík a dusík odpovídá charakteristické modravé záři ohně svatého Elma.
V předchozích laboratorních experimentech vědci zjistili, že tato záře a energie koronového výboje může zesílit v přítomnosti větru. Silný poryv může v podstatě odfouknout kladně nabité ionty, které lokálně stínily elektrické pole a snižovaly jeho účinek – což usnadňuje elektronům vyvolat silnější a jasnější záři.
Tyto experimenty byly většinou prováděny s elektricky uzemněnými konstrukcemi a tým MIT zajímalo, zda bude mít vítr stejný posilující účinek na korónový výboj, který vzniká kolem ostrého neuzemněného předmětu, jako je například křídlo letadla.
Aby tuto myšlenku ověřili, vyrobili jednoduchou konstrukci křídla ze dřeva a křídlo obalili fólií, aby bylo elektricky vodivé. Místo toho, aby se pokusili vytvořit okolní elektrické pole podobné tomu, které by vzniklo při bouřce, studoval tým alternativní konfiguraci, při níž byl korónový výboj generován v kovovém drátu vedeném rovnoběžně s délkou křídla, a mezi drát a křídlo připojil malý vysokonapěťový zdroj. Křídlo připevnili k podstavci z izolačního materiálu, který díky své nevodivé povaze v podstatě učinil samotné křídlo elektricky zavěšeným nebo neuzemněným.
Tým umístil celou sestavu do větrného tunelu bratří Wrightů na MIT a vystavoval ji stále vyšším rychlostem větru, až 50 metrů za sekundu, přičemž měnil i velikost napětí, které přiváděl na vodič. Během těchto testů měřili množství elektrického náboje hromadícího se v křídle, proud koróny a také pomocí kamery citlivé na ultrafialové záření pozorovali jas korónového výboje na drátu.
Nakonec zjistili, že síla korónového výboje a jeho výsledný jas se s rostoucím větrem snižuje – což je překvapivý a opačný efekt, než jaký vědci pozorovali u větru působícího na uzemněné konstrukce.
Výboj proti větru
Tým vypracoval numerické simulace, aby se pokusil tento efekt vysvětlit, a zjistil, že u neuzemněných struktur je proces do značné míry podobný tomu, co se děje u uzemněných objektů – ale s něčím navíc.
V obou případech vítr odfoukává kladné ionty generované korónou a zanechává za sebou silnější pole v okolním vzduchu. U neuzemněných konstrukcí se však díky jejich elektrické izolaci zvyšuje jejich záporný náboj. To má za následek zeslabení kladného koronového výboje. Množství záporného náboje, které si křídlo udrží, je dáno konkurenčními účinky kladných iontů unášených větrem a iontů přitahovaných a vtahovaných zpět v důsledku záporného výboje. Tento sekundární efekt, jak vědci zjistili, působí na oslabení místního elektrického pole a také na elektrickou záři korónového výboje.
„Korónový výboj je obecně první fází blesku,“ říká Guerra-Garcia. „To, jak se koronový výboj chová, je důležité a tak trochu připravuje půdu pro to, co by se mohlo dít dál, pokud jde o elektrifikaci.“
Při letu letadla, jako jsou letadla a vrtulníky, ze své podstaty vytvářejí vítr a systém žhavé koróny, jako je ten testovaný v aerodynamickém tunelu, by se skutečně mohl používat k řízení elektrického náboje vozidla. V návaznosti na některé předchozí práce týmu již dříve spolu s kolegy ukázala, že pokud by letadlo mohlo být kontrolovaně záporně nabito, mohlo by se snížit riziko zasažení letadla bleskem. Nové výsledky ukazují, že nabití letadla za letu na záporné hodnoty lze dosáhnout pomocí řízeného kladného korónového výboje.
“Vzrušující na této studii je, že při snaze prokázat, že elektrický náboj letadla lze řídit pomocí korónového výboje, jsme vlastně zjistili, že klasické teorie korónového výboje ve větru neplatí pro vzdušné plošiny, které jsou elektricky izolovány od svého okolí,“ říká Guerra-Garcia. „Elektrický výboj, ke kterému dochází v letadlech, skutečně představuje některé jedinečné vlastnosti, které neumožňují přímou extrapolaci z pozemních studií.“
Tento výzkum byl částečně financován společností The Boeing Company prostřednictvím programu Strategic Universities for Boeing Research and Technology Program.