Al culmine di un temporale, le punte di torri cellulari, pali del telefono e altre strutture alte ed elettricamente conduttive possono emettere spontaneamente un lampo di luce blu. Questo bagliore elettrico, noto come una scarica a corona, è prodotto quando l’aria che circonda un oggetto conduttivo è brevemente ionizzata da un ambiente elettricamente carico.
Per secoli, i marinai hanno osservato scariche a corona sulle punte degli alberi delle navi durante le tempeste in mare. Hanno coniato il fenomeno Fuoco di Sant’Elmo, dal nome del santo patrono dei marinai.
Gli scienziati hanno scoperto che una scarica a corona può rafforzarsi in condizioni di vento, brillando più intensamente quando il vento elettrizza ulteriormente l’aria. Questa intensificazione indotta dal vento è stata osservata soprattutto in strutture elettricamente a terra, come alberi e torri. Ora gli ingegneri aerospaziali del MIT hanno scoperto che il vento ha un effetto opposto su oggetti senza messa a terra, come gli aerei e alcune pale eoliche.
In alcuni degli ultimi esperimenti eseguiti nella galleria del vento del MIT Wright Brothers prima che fosse smantellata nel 2019, i ricercatori hanno esposto un modello di ala di aereo elettricamente senza messa a terra a raffiche di vento sempre più forti. Hanno scoperto che più forte era il vento, più debole era la scarica a corona, e più fioco era il bagliore prodotto.
I risultati del team appaiono nel Journal of Geophysical Research: Atmospheres. L’autore principale dello studio è Carmen Guerra-Garcia, assistente professore di aeronautica e astronautica al MIT. I suoi co-autori al MIT sono Ngoc Cuong Nguyen, un ricercatore senior; Theodore Mouratidis, uno studente laureato; e Manuel Martinez-Sanchez, un professore post-tenura di aeronautica e astronautica.
Frizione elettrica
In una nuvola temporalesca, l’attrito può accumularsi per produrre elettroni extra, creando un campo elettrico che può arrivare fino a terra. Se questo campo è abbastanza forte, può rompere le molecole dell’aria circostante, trasformando l’aria neutra in un gas carico, o plasma. Questo processo si verifica più spesso intorno a oggetti appuntiti e conduttivi come torri cellulari e punte d’ala, poiché queste strutture appuntite tendono a concentrare il campo elettrico in modo che gli elettroni siano tirati dalle molecole d’aria circostanti verso le strutture appuntite, lasciando dietro di sé un velo di plasma caricato positivamente immediatamente intorno all’oggetto appuntito.
Una volta che il plasma si è formato, le molecole al suo interno possono iniziare a brillare attraverso il processo di scarica a corona, dove gli elettroni in eccesso nel campo elettrico ping-pong contro le molecole, sbattendole in stati eccitati. Per uscire da questi stati eccitati, le molecole emettono un fotone di energia, ad una lunghezza d’onda che, per l’ossigeno e l’azoto, corrisponde al caratteristico bagliore bluastro del fuoco di Sant’Elmo.
In precedenti esperimenti di laboratorio, gli scienziati hanno scoperto che questo bagliore, e l’energia di una scarica a corona, possono rafforzare in presenza di vento. Una forte raffica può essenzialmente soffiare via gli ioni caricati positivamente, che stavano schermando localmente il campo elettrico e riducendo il suo effetto – rendendo più facile per gli elettroni innescare un bagliore più forte e più luminoso.
Questi esperimenti sono stati per lo più condotti con strutture elettricamente a terra, e il team del MIT si è chiesto se il vento avrebbe avuto lo stesso effetto di rafforzamento su una scarica a corona prodotta intorno a un oggetto appuntito e non a terra, come l’ala di un aereo.
Per testare questa idea, hanno fabbricato una semplice struttura alare in legno e hanno avvolto l’ala in un foglio per renderla elettricamente conduttiva. Piuttosto che cercare di produrre un campo elettrico ambientale simile a quello che si genererebbe in un temporale, il team ha studiato una configurazione alternativa in cui la scarica a corona è stata generata in un filo metallico che corre parallelo alla lunghezza dell’ala, e collegando una piccola fonte di energia ad alta tensione tra il filo e l’ala. Hanno fissato l’ala a un piedistallo fatto di un materiale isolante che, a causa della sua natura non conduttiva, ha essenzialmente reso l’ala stessa elettricamente sospesa, o senza messa a terra.
Il team ha messo l’intera configurazione nella galleria del vento Wright Brothers del MIT, e l’ha sottoposta a velocità del vento sempre più elevate, fino a 50 metri al secondo, mentre variava anche la quantità di tensione applicata al filo. Durante questi test, hanno misurato la quantità di carica elettrica che si accumula nell’ala, la corrente della corona e hanno anche usato una macchina fotografica sensibile agli ultravioletti per osservare la luminosità della scarica della corona sul filo.
Alla fine, hanno scoperto che la forza della scarica della corona e la sua luminosità risultante diminuiva all’aumentare del vento – un effetto sorprendente e opposto a quello che gli scienziati hanno visto per il vento che agisce su strutture a terra.
Tirato contro il vento
Il team ha sviluppato simulazioni numeriche per cercare di spiegare l’effetto, e ha scoperto che, per le strutture non a terra, il processo è in gran parte simile a quello che accade con gli oggetti a terra – ma con qualcosa in più.
In entrambi i casi, il vento soffia via gli ioni positivi generati dalla corona, lasciando un campo più forte nell’aria circostante. Per le strutture non messe a terra, tuttavia, poiché sono elettricamente isolate, diventano più cariche negativamente. Questo si traduce in un indebolimento della scarica positiva della corona. La quantità di carica negativa che l’ala mantiene è regolata dagli effetti concorrenti degli ioni positivi soffiati dal vento e quelli attratti e tirati indietro come risultato dell’escursione negativa. Questo effetto secondario, hanno scoperto i ricercatori, agisce per indebolire il campo elettrico locale, così come il bagliore elettrico della scarica a corona.
“La scarica a corona è il primo stadio del fulmine in generale”, dice Guerra-Garcia. “Come si comporta la scarica a corona è importante e pone le basi per quello che potrebbe succedere dopo in termini di elettrificazione.”
In volo, i velivoli come gli aerei e gli elicotteri producono intrinsecamente vento, e un sistema corona glow come quello testato nella galleria del vento potrebbe essere usato per controllare la carica elettrica del veicolo. Collegandosi ad alcuni lavori precedenti del team, lei e i suoi colleghi hanno precedentemente dimostrato che se un aereo potesse essere caricato negativamente, in modo controllato, il rischio di essere colpito da un fulmine potrebbe essere ridotto. I nuovi risultati dimostrano che la carica di un aereo in volo a valori negativi può essere ottenuta utilizzando una scarica corona positiva controllata.
”La cosa eccitante di questo studio è che, mentre cercavamo di dimostrare che la carica elettrica di un aereo può essere controllata utilizzando una scarica corona, abbiamo effettivamente scoperto che le teorie classiche della scarica corona nel vento non si applicano alle piattaforme aeree, che sono elettricamente isolate dal loro ambiente”, dice Guerra-Garcia. “La rottura elettrica che si verifica nei velivoli presenta davvero alcune caratteristiche uniche che non consentono l’estrapolazione diretta dagli studi a terra.”
Questa ricerca è stata finanziata, in parte, da The Boeing Company, attraverso le Università strategiche per la ricerca Boeing e il programma tecnologico.