A zivatar magasságában a mobiltornyok, telefonpóznák és más magas, elektromosan vezető szerkezetek csúcsai spontán kék fényt bocsátanak ki. Ez a koronakisülésnek nevezett elektromos izzás akkor keletkezik, amikor a vezető tárgyat körülvevő levegőt rövid időre ionizálja az elektromosan töltött környezet.
A tengerészek évszázadok óta megfigyelték a koronakisüléseket a hajóárbocok csúcsán a tengeri viharok idején. A jelenséget Szent Elmo tüzének nevezték el, a tengerészek védőszentje után.
A tudósok megállapították, hogy a koronakisülés erősödhet szeles időben, és fényesebben izzik, ahogy a szél tovább elektromosítja a levegőt. Ezt a szél okozta erősödést főleg elektromosan földelt szerkezeteknél, például fáknál és tornyoknál figyelték meg. Most az MIT űrkutatási mérnökei megállapították, hogy a szél ellentétes hatást gyakorol a földeletlen tárgyakra, például a repülőgépekre és egyes szélturbinák lapátjaira.
Az MIT Wright Brothers Wind Tunnelben végzett utolsó kísérletek egyikében, mielőtt azt 2019-ben lebontják, a kutatók egy repülőgépszárny elektromosan földeletlen modelljét tették ki egyre erősebb széllökéseknek. Azt találták, hogy minél erősebb volt a szél, annál gyengébb volt a koronakisülés, és annál halványabb volt a keletkező izzás.
A csapat eredményei a Journal of Geophysical Research című folyóiratban jelentek meg: Atmospheres. A tanulmány vezető szerzője Carmen Guerra-Garcia, az MIT repülés- és űrhajózási tanszékének adjunktusa. Társszerzői az MIT-n Ngoc Cuong Nguyen, vezető kutató, Theodore Mouratidis, végzős hallgató és Manuel Martinez-Sanchez, az aeronautika és űrhajózás posztgraduális professzora.
Elektromos súrlódás
A viharfelhőben a súrlódás hatására extra elektronok keletkezhetnek, és olyan elektromos mezőt hozhatnak létre, amely egészen a talajig érhet. Ha ez a mező elég erős, szétszakíthatja a környező levegőmolekulákat, a semleges levegőt töltött gázzá vagy plazmává változtatva. Ez a folyamat leggyakrabban éles, vezető tárgyak, például mobiltornyok és szárnycsúcsok körül következik be, mivel ezek a hegyes szerkezetek hajlamosak az elektromos mezőt úgy koncentrálni, hogy az elektronok a környező levegőmolekulákból a hegyes szerkezetek felé húzódnak, és közvetlenül az éles tárgy körül pozitív töltésű plazmafátyol marad.
Amikor a plazma kialakul, a benne lévő molekulák a koronakisülés folyamatán keresztül izzani kezdhetnek, amikor az elektromos mezőben lévő felesleges elektronok a molekulákhoz ping-pongoznak, gerjesztett állapotba taszítva azokat. Ahhoz, hogy ezekből a gerjesztett állapotokból lejöjjenek, a molekulák egy foton energiát bocsátanak ki, olyan hullámhosszon, amely az oxigén és a nitrogén esetében megfelel a Szent Elmo-tűz jellegzetes kékes ragyogásának.
A korábbi laboratóriumi kísérletekben a tudósok megállapították, hogy ez a ragyogás és a koronakisülés energiája szél jelenlétében erősödhet. Egy erős széllökés lényegében elfújhatja a pozitív töltésű ionokat, amelyek helyileg árnyékolták az elektromos mezőt és csökkentették annak hatását – így az elektronok könnyebben kiválthatják az erősebb, fényesebb izzást.
Ezeket a kísérleteket többnyire elektromosan földelt szerkezetekkel végezték, és az MIT csapata arra volt kíváncsi, hogy a szélnek vajon ugyanilyen erősítő hatása lenne-e egy éles, nem földelt tárgy, például egy repülőgépszárny körül keletkező koronakisülésre.
Az elképzelés tesztelésére egy egyszerű szárnyszerkezetet készítettek fából, és a szárnyat fóliába csomagolták, hogy elektromosan vezető legyen. Ahelyett, hogy megpróbáltak volna olyan környezeti elektromos mezőt létrehozni, mint amilyen egy zivatarban keletkezne, a csapat egy alternatív konfigurációt vizsgált, amelyben a koronakisülést egy, a szárny hosszával párhuzamosan futó fémhuzalban generálták, és egy kis nagyfeszültségű áramforrást kapcsoltak a huzal és a szárny közé. A szárnyat egy szigetelőanyagból készült talapzathoz rögzítették, amely nem vezető jellege miatt lényegében magát a szárnyat tette elektromosan felfüggesztetté, vagyis földelhetetlenné.
A csapat az egész elrendezést az MIT Wright Brothers Wind Tunnel nevű szélcsatornájában helyezte el, és egyre nagyobb, akár 50 méter/másodperces szélsebességnek tette ki, miközben a vezetékre kapcsolt feszültség mennyiségét is változtatták. A tesztek során mérték a szárnyban felgyülemlő elektromos töltés mennyiségét, a koronaáramot, és egy ultraibolya érzékeny kamerát is használtak, hogy megfigyeljék a koronakisülés fényességét a dróton.
A végén azt találták, hogy a koronakisülés erőssége és az ebből eredő fényerő csökken a szél növekedésével – ez meglepő és ellentétes hatás, mint amit a tudósok a földelt szerkezetekre ható szél esetében tapasztaltak.
A széllel szemben
A csapat numerikus szimulációkat dolgozott ki, hogy megpróbálja megmagyarázni a hatást, és azt találták, hogy a nem földelt szerkezetek esetében a folyamat nagyrészt hasonló ahhoz, ami a földelt objektumok esetében történik – de van benne valami extra.
A szél mindkét esetben elfújja a korona által generált pozitív ionokat, és erősebb mezőt hagy maga után a környező levegőben. A nem földelt szerkezetek esetében azonban, mivel elektromosan elszigeteltek, negatívabban töltődnek fel. Ez a pozitív koronakisülés gyengülését eredményezi. A szárny által megtartott negatív töltés mennyiségét a szél által fújt pozitív ionok, valamint a negatív kitérés eredményeként vonzott és visszahúzott ionok egymással versengő hatásai határozzák meg. Ez a másodlagos hatás – állapították meg a kutatók – gyengíti a helyi elektromos mezőt, valamint a koronakisülés elektromos izzását.
“A koronakisülés általában a villámlás első szakasza” – mondja Guerra-Garcia. “Az, hogy a koronakisülés hogyan viselkedik, fontos, és mintegy megalapozza, hogy mi történhet ezután a villamosítás szempontjából.”
A repülés során a repülőgépek, például a repülőgépek és a helikopterek eredendően szelet termelnek, és a szélcsatornában tesztelthez hasonló izzó koronarendszer valójában a jármű elektromos töltésének szabályozására is használható lenne. Kapcsolódva a csapat néhány korábbi munkájához, ő és kollégái korábban kimutatták, hogy ha egy repülőgépet szabályozott módon negatívan fel lehetne tölteni, akkor csökkenthető lenne a repülőgép villámcsapásának kockázata. Az új eredmények azt mutatják, hogy egy repülőgép repülés közbeni feltöltése negatív értékekre irányított pozitív koronakisüléssel is elérhető.”
”Az izgalmas ebben a tanulmányban az, hogy miközben megpróbáltuk bizonyítani, hogy egy repülőgép elektromos töltése koronakisüléssel szabályozható, valójában felfedeztük, hogy a szélben történő koronakisülés klasszikus elméletei nem érvényesek a légi platformokra, amelyek elektromosan el vannak szigetelve a környezetüktől” – mondja Guerra-Garcia. “A repülőgépekben előforduló elektromos bontás valóban olyan egyedi jellemzőket mutat, amelyek nem teszik lehetővé a földi vizsgálatokból való közvetlen extrapolációt.”
A kutatást részben a The Boeing Company finanszírozta a Strategic Universities for Boeing Research and Technology Program keretében.