En el punto álgido de una tormenta eléctrica, las puntas de las torres de telefonía, los postes telefónicos y otras estructuras altas y conductoras de electricidad pueden emitir espontáneamente un destello de luz azul. Este resplandor eléctrico, conocido como descarga de corona, se produce cuando el aire que rodea un objeto conductor se ioniza brevemente por un entorno cargado eléctricamente.
Durante siglos, los marineros observaron descargas de corona en las puntas de los mástiles de los barcos durante las tormentas en el mar. Acuñaron el fenómeno como el fuego de San Elmo, en honor al santo patrón de los marineros.
Los científicos han descubierto que una descarga de corona puede reforzarse en condiciones de viento, brillando más cuando el viento electrifica aún más el aire. Esta intensificación inducida por el viento se ha observado sobre todo en estructuras conectadas a tierra eléctricamente, como árboles y torres. Ahora, ingenieros aeroespaciales del MIT han descubierto que el viento tiene un efecto opuesto en objetos sin conexión a tierra, como los aviones y algunas palas de aerogeneradores.
En algunos de los últimos experimentos realizados en el Túnel de Viento de los Hermanos Wright del MIT antes de su desmantelamiento en 2019, los investigadores expusieron un modelo de ala de avión sin conexión eléctrica a ráfagas de viento cada vez más fuertes. Descubrieron que cuanto más fuerte era el viento, más débil era la descarga de la corona y más tenue era el brillo que se producía.
Los resultados del equipo aparecen en la revista Journal of Geophysical Research: Atmospheres. La autora principal del estudio es Carmen Guerra-García, profesora asistente de aeronáutica y astronáutica en el MIT. Sus coautores en el MIT son Ngoc Cuong Nguyen, investigador científico senior; Theodore Mouratidis, estudiante de posgrado; y Manuel Martínez-Sánchez, profesor de aeronáutica y astronáutica.
Fricción eléctrica
Dentro de una nube de tormenta, la fricción puede acumularse para producir electrones adicionales, creando un campo eléctrico que puede llegar hasta el suelo. Si ese campo es lo suficientemente fuerte, puede romper las moléculas de aire circundantes, convirtiendo el aire neutro en un gas cargado, o plasma. Este proceso se produce con mayor frecuencia alrededor de objetos puntiagudos y conductores, como las torres de telefonía móvil y las puntas de las alas, ya que estas estructuras puntiagudas tienden a concentrar el campo eléctrico de forma que los electrones son atraídos desde las moléculas de aire circundantes hacia las estructuras puntiagudas, dejando tras de sí un velo de plasma cargado positivamente inmediatamente alrededor del objeto puntiagudo.
Una vez que se ha formado un plasma, las moléculas que lo componen pueden empezar a brillar a través del proceso de descarga de la corona, en el que el exceso de electrones en el campo eléctrico ping-pong contra las moléculas, haciéndolas caer en estados excitados. Para salir de esos estados de excitación, las moléculas emiten un fotón de energía, en una longitud de onda que, para el oxígeno y el nitrógeno, corresponde al característico resplandor azulado del fuego de San Elmo.
En anteriores experimentos de laboratorio, los científicos descubrieron que este resplandor, y la energía de una descarga de corona, pueden reforzarse en presencia del viento. Una fuerte ráfaga puede hacer desaparecer los iones con carga positiva, que estaban protegiendo localmente el campo eléctrico y reduciendo su efecto, lo que facilita que los electrones desencadenen un resplandor más fuerte y brillante.
Estos experimentos se llevaron a cabo principalmente con estructuras conectadas a tierra eléctricamente, y el equipo del MIT se preguntó si el viento tendría el mismo efecto de refuerzo en una descarga de corona que se produjera alrededor de un objeto afilado y sin conexión a tierra, como el ala de un avión.
Para probar esta idea, fabricaron una estructura de ala simple de madera y envolvieron el ala en papel de aluminio para hacerla eléctricamente conductora. En lugar de intentar producir un campo eléctrico ambiental similar al que se generaría en una tormenta eléctrica, el equipo estudió una configuración alternativa en la que la descarga de corona se generaba en un cable metálico que corría en paralelo a la longitud del ala, y se conectaba una pequeña fuente de energía de alto voltaje entre el cable y el ala. Fijaron el ala a un pedestal hecho de un material aislante que, debido a su naturaleza no conductora, esencialmente hacía que el ala misma estuviera eléctricamente suspendida, o sin conexión a tierra.
El equipo colocó todo el montaje en el Túnel de Viento de los Hermanos Wright del MIT, y lo sometió a velocidades de viento cada vez más altas, de hasta 50 metros por segundo, mientras también variaba la cantidad de voltaje que aplicaba al cable. Durante estas pruebas, midieron la cantidad de carga eléctrica que se acumulaba en el ala, la corriente de la corona y también utilizaron una cámara sensible al ultravioleta para observar el brillo de la descarga de la corona en el cable.
Al final, descubrieron que la fuerza de la descarga de la corona y su brillo resultante disminuían a medida que aumentaba el viento, un efecto sorprendente y opuesto al que los científicos han observado en el caso del viento que actúa sobre estructuras en tierra.
Tirado contra el viento
El equipo desarrolló simulaciones numéricas para tratar de explicar el efecto, y descubrió que, para las estructuras no conectadas a tierra, el proceso es en gran medida similar a lo que ocurre con los objetos conectados a tierra – pero con algo extra.
En ambos casos, el viento se lleva los iones positivos generados por la corona, dejando atrás un campo más fuerte en el aire circundante. Sin embargo, las estructuras no conectadas a tierra, al estar aisladas eléctricamente, se cargan más negativamente. Esto da lugar a un debilitamiento de la descarga de corona positiva. La cantidad de carga negativa que retiene el ala viene determinada por los efectos contrapuestos de los iones positivos soplados por el viento y los atraídos y arrastrados como resultado de la excursión negativa. Este efecto secundario, descubrieron los investigadores, actúa debilitando el campo eléctrico local, así como el brillo eléctrico de la descarga de la corona.
«La descarga de la corona es la primera etapa del rayo en general», dice Guerra-García. «Cómo se comporta la descarga de la corona es importante y, en cierto modo, sienta las bases de lo que podría suceder después en términos de electrificación».
En vuelo, las aeronaves como los aviones y los helicópteros producen intrínsecamente viento, y un sistema de resplandor de la corona como el probado en el túnel de viento podría utilizarse realmente para controlar la carga eléctrica del vehículo. Conectando con algunos trabajos anteriores del equipo, ella y sus colegas demostraron previamente que si se podía cargar negativamente un avión, de forma controlada, se podía reducir el riesgo del avión de ser alcanzado por un rayo. Los nuevos resultados muestran que la carga de un avión en vuelo a valores negativos puede lograrse utilizando una descarga de corona positiva controlada.
»Lo emocionante de este estudio es que, al tratar de demostrar que la carga eléctrica de un avión puede controlarse utilizando una descarga de corona, en realidad descubrimos que las teorías clásicas de la descarga de corona en el viento no se aplican a las plataformas aéreas, que están aisladas eléctricamente de su entorno», dice Guerra-García. «La descomposición eléctrica que se produce en las aeronaves presenta realmente algunas características únicas que no permiten la extrapolación directa de los estudios en tierra».»
Esta investigación fue financiada, en parte, por The Boeing Company, a través del Programa de Universidades Estratégicas para la Investigación y Tecnología de Boeing.