Auf dem Höhepunkt eines Gewitters können die Spitzen von Handymasten, Telefonmasten und anderen hohen, elektrisch leitenden Strukturen spontan einen blauen Lichtblitz aussenden. Dieses elektrische Leuchten, das als Koronaentladung bezeichnet wird, entsteht, wenn die Luft, die ein leitfähiges Objekt umgibt, durch eine elektrisch geladene Umgebung kurzzeitig ionisiert wird.
Seit Jahrhunderten beobachteten Seeleute während eines Gewitters auf See Koronaentladungen an den Spitzen von Schiffsmasten. Sie nannten das Phänomen St. Elmo’s fire, nach dem Schutzpatron der Seeleute.
Wissenschaftler haben herausgefunden, dass sich eine Koronaentladung bei Wind verstärken kann und heller leuchtet, wenn der Wind die Luft weiter elektrisiert. Diese windinduzierte Verstärkung wurde bisher vor allem an elektrisch geerdeten Strukturen wie Bäumen und Türmen beobachtet. Nun haben Luft- und Raumfahrtingenieure des MIT herausgefunden, dass Wind einen gegenteiligen Effekt auf nicht geerdete Objekte wie Flugzeuge und einige Windturbinenblätter hat.
In einigen der letzten Experimente, die im Windkanal der Gebrüder Wright des MIT durchgeführt wurden, bevor er 2019 abgebaut wird, setzten die Forscher ein elektrisch nicht geerdetes Modell eines Flugzeugflügels zunehmend starken Windböen aus. Sie fanden heraus, dass die Koronaentladung umso schwächer war, je stärker der Wind war, und je schwächer das erzeugte Leuchten war.
Die Ergebnisse des Teams erscheinen im Journal of Geophysical Research: Atmospheres. Die Hauptautorin der Studie ist Carmen Guerra-Garcia, Assistenzprofessorin für Luft- und Raumfahrttechnik am MIT. Ihre Mitautoren am MIT sind Ngoc Cuong Nguyen, ein leitender Forscher, Theodore Mouratidis, ein Doktorand, und Manuel Martinez-Sanchez, ein Professor für Luft- und Raumfahrttechnik.
Elektrische Reibung
Innerhalb einer Gewitterwolke kann sich Reibung aufbauen und zusätzliche Elektronen erzeugen, die ein elektrisches Feld erzeugen, das bis zum Boden reichen kann. Wenn dieses Feld stark genug ist, kann es die umgebenden Luftmoleküle aufbrechen und die neutrale Luft in ein geladenes Gas, ein Plasma, verwandeln. Dieser Prozess tritt am häufigsten in der Nähe von scharfen, leitenden Objekten wie Handymasten und Flügelspitzen auf, da diese spitzen Strukturen dazu neigen, das elektrische Feld so zu konzentrieren, dass Elektronen aus den umgebenden Luftmolekülen in Richtung der spitzen Strukturen gezogen werden und einen Schleier aus positiv geladenem Plasma unmittelbar um das scharfe Objekt herum hinterlassen.
Wenn sich ein Plasma gebildet hat, können die Moleküle darin durch den Prozess der Koronaentladung zu leuchten beginnen, bei dem überschüssige Elektronen im elektrischen Feld gegen die Moleküle ping-pong spielen und sie in angeregte Zustände stoßen. Um aus diesen angeregten Zuständen wieder herauszukommen, geben die Moleküle ein Photon mit einer Wellenlänge ab, die bei Sauerstoff und Stickstoff dem charakteristischen bläulichen Leuchten des Elmsfeuers entspricht.
In früheren Laborexperimenten fanden Wissenschaftler heraus, dass sich dieses Leuchten und die Energie einer Koronaentladung in Gegenwart von Wind verstärken können. Eine starke Windböe kann die positiv geladenen Ionen wegblasen, die das elektrische Feld lokal abschirmen und seine Wirkung abschwächen – was es den Elektronen erleichtert, ein stärkeres, helleres Glühen auszulösen.
Diese Experimente wurden meist mit elektrisch geerdeten Strukturen durchgeführt, und das MIT-Team fragte sich, ob Wind die gleiche verstärkende Wirkung auf eine Koronaentladung haben würde, die um ein scharfes, nicht geerdetes Objekt, wie z. B. einen Flugzeugflügel, erzeugt wird.
Um diese Idee zu testen, stellten sie eine einfache Flügelstruktur aus Holz her und umwickelten den Flügel mit Folie, um ihn elektrisch leitfähig zu machen. Anstatt zu versuchen, ein elektrisches Feld in der Umgebung zu erzeugen, das dem eines Gewitters ähnelt, untersuchte das Team eine alternative Konfiguration, bei der die Koronaentladung in einem Metalldraht erzeugt wurde, der parallel zur Länge des Flügels verlief, und verband eine kleine Hochspannungsquelle zwischen Draht und Flügel. Sie befestigten den Flügel an einem Sockel aus einem isolierenden Material, das aufgrund seiner nichtleitenden Beschaffenheit den Flügel selbst im Wesentlichen elektrisch schwebend oder ungeerdet machte.
Das Team platzierte den gesamten Aufbau im Wright Brothers Wind Tunnel des MIT und setzte ihn zunehmend höheren Windgeschwindigkeiten bis zu 50 Metern pro Sekunde aus, während sie auch die Höhe der Spannung variierten, die sie an den Draht anlegten. Während dieser Tests maßen sie die Menge an elektrischer Ladung, die sich in der Tragfläche aufbaute, den Strom der Korona und verwendeten außerdem eine ultraviolett-empfindliche Kamera, um die Helligkeit der Koronaentladung auf dem Draht zu beobachten.
Am Ende stellten sie fest, dass die Stärke der Koronaentladung und die daraus resultierende Helligkeit mit zunehmendem Wind abnahmen – ein überraschender und entgegengesetzter Effekt zu dem, was Wissenschaftler bei Wind beobachtet haben, der auf geerdete Strukturen wirkt.
Gegen den Wind
Das Team entwickelte numerische Simulationen, um zu versuchen, den Effekt zu erklären, und fand heraus, dass der Prozess bei ungeerdeten Strukturen weitgehend dem ähnelt, was bei geerdeten Objekten passiert – allerdings mit einem gewissen Zusatz.
In beiden Fällen bläst der Wind die von der Korona erzeugten positiven Ionen weg und hinterlässt ein stärkeres Feld in der umgebenden Luft. Da ungeerdete Strukturen jedoch elektrisch isoliert sind, werden sie stärker negativ geladen. Dies führt zu einer Abschwächung der positiven Koronaentladung. Die Menge an negativer Ladung, die der Flügel behält, wird durch die konkurrierenden Effekte von positiven Ionen, die durch den Wind geblasen werden, und solchen, die durch die negative Auslenkung angezogen und zurückgezogen werden, bestimmt. Dieser sekundäre Effekt, so fanden die Forscher heraus, schwächt das lokale elektrische Feld sowie das elektrische Glühen der Koronaentladung.
„Die Koronaentladung ist die erste Stufe des Blitzes im Allgemeinen“, sagt Guerra-Garcia. „Wie sich die Koronaentladung verhält, ist wichtig und legt gewissermaßen den Grundstein für das, was als Nächstes im Hinblick auf die Elektrifizierung passieren könnte.“
Im Flug erzeugen Flugzeuge wie Flugzeuge und Hubschrauber von Natur aus Wind, und ein Glühkoronasystem wie das im Windkanal getestete könnte tatsächlich zur Steuerung der elektrischen Ladung des Fahrzeugs verwendet werden. In Anknüpfung an frühere Arbeiten des Teams hatten sie und ihre Kollegen bereits gezeigt, dass sich das Risiko eines Blitzeinschlags verringern ließe, wenn ein Flugzeug kontrolliert negativ aufgeladen werden könnte. Die neuen Ergebnisse zeigen, dass ein Flugzeug während des Fluges durch eine kontrollierte positive Koronaentladung auf negative Werte aufgeladen werden kann.
“Das Spannende an dieser Studie ist, dass wir bei dem Versuch zu zeigen, dass die elektrische Ladung eines Flugzeugs durch eine Koronaentladung kontrolliert werden kann, entdeckt haben, dass die klassischen Theorien der Koronaentladung im Wind nicht für Flugzeuge gelten, die von ihrer Umgebung elektrisch isoliert sind“, sagt Guerra-Garcia. „Elektrische Durchschläge in Flugzeugen weisen wirklich einige einzigartige Merkmale auf, die eine direkte Extrapolation von Bodenstudien nicht zulassen.“
Diese Forschung wurde zum Teil von The Boeing Company über das Strategic Universities for Boeing Research and Technology Program finanziert.