Op het hoogtepunt van een onweersbui kunnen de uiteinden van zendmasten, telefoonpalen en andere hoge, elektrisch geleidende constructies spontaan een flits van blauw licht uitstralen. Deze elektrische gloed, bekend als een corona-ontlading, wordt geproduceerd wanneer de lucht rond een geleidend voorwerp kortstondig wordt geïoniseerd door een elektrisch geladen omgeving.
Eeuwenlang hebben zeelieden corona-ontladingen waargenomen aan de uiteinden van scheepsmasten tijdens stormen op zee. Zij noemden het fenomeen het vuur van St. Elmo, naar de patroonheilige van de zeelieden.
Wetenschappers hebben ontdekt dat een corona-ontlading kan worden versterkt in winderige omstandigheden, waarbij deze helderder gaat gloeien naarmate de wind de lucht verder elektriseert. Deze door de wind veroorzaakte intensivering is meestal waargenomen in elektrisch geaarde structuren, zoals bomen en torens. Nu hebben ruimtevaartingenieurs van het MIT ontdekt dat wind een omgekeerd effect heeft op niet-geaarde objecten, zoals vliegtuigen en sommige windturbinebladen.
In enkele van de laatste experimenten die werden uitgevoerd in de Wright Brothers Windtunnel van het MIT voordat deze in 2019 werd ontmanteld, stelden de onderzoekers een elektrisch niet-geaard model van een vliegtuigvleugel bloot aan steeds sterkere windvlagen. Ze ontdekten dat hoe sterker de wind, hoe zwakker de corona-ontlading, en hoe zwakker de gloed die werd geproduceerd.
De resultaten van het team verschijnen in het Journal of Geophysical Research: Atmospheres. Hoofdauteur van de studie is Carmen Guerra-Garcia, een assistent-professor in luchtvaart- en astronautiek aan het MIT. Haar co-auteurs bij MIT zijn Ngoc Cuong Nguyen, een senior onderzoekswetenschapper; Theodore Mouratidis, een afgestudeerde student; en Manuel Martinez-Sanchez, een post-tenure professor in de lucht- en ruimtevaart.
Elektrische wrijving
In een onweerswolk kan wrijving zich ophopen om extra elektronen te produceren, waardoor een elektrisch veld ontstaat dat helemaal tot aan de grond kan reiken. Als dat veld sterk genoeg is, kan het de omringende luchtmoleculen uit elkaar trekken, waardoor neutrale lucht in een geladen gas, of plasma, verandert. Dit proces doet zich het vaakst voor rond scherpe, geleidende objecten, zoals telefoontorens en vleugeltips, omdat deze puntige structuren de neiging hebben het elektrische veld zodanig te concentreren dat elektronen uit de omringende luchtmoleculen naar de puntige structuren worden getrokken, waardoor een sluier van positief geladen plasma direct rond het scherpe object achterblijft.
Als zich eenmaal een plasma heeft gevormd, kunnen de moleculen erin beginnen te gloeien via het proces van corona-ontlading, waarbij overtollige elektronen in het elektrische veld tegen de moleculen pingpongen, waardoor ze in opgewonden toestand raken. Om uit die aangeslagen toestand te komen, zenden de moleculen een foton energie uit, bij een golflengte die voor zuurstof en stikstof overeenkomt met de karakteristieke blauwachtige gloed van het Sint-Elmusvuur.
In eerdere laboratoriumexperimenten hebben wetenschappers ontdekt dat deze gloed, en de energie van een corona-ontlading, kan worden versterkt in de aanwezigheid van wind. Een sterke windvlaag kan in wezen de positief geladen ionen wegblazen, die het elektrische veld plaatselijk afschermden en het effect ervan verminderden – waardoor het voor elektronen gemakkelijker werd een sterkere, fellere gloed teweeg te brengen.
Deze experimenten werden meestal uitgevoerd met elektrisch geaarde structuren, en het MIT-team vroeg zich af of wind hetzelfde versterkende effect zou hebben op een corona-ontlading die werd geproduceerd rond een scherp, niet-geaard object, zoals een vliegtuigvleugel.
Om dit idee te testen, fabriceerden zij een eenvoudige vleugelstructuur van hout en wikkelden de vleugel in folie om deze elektrisch geleidend te maken. In plaats van te proberen een omringend elektrisch veld te produceren zoals dat zou worden gegenereerd in een onweersbui, bestudeerde het team een alternatieve configuratie waarin de corona-ontlading werd gegenereerd in een metaaldraad die parallel liep aan de lengte van de vleugel, en een kleine hoogspanningsbron aan te sluiten tussen draad en vleugel. Zij bevestigden de vleugel op een voetstuk gemaakt van een isolerend materiaal dat, vanwege zijn niet-geleidende aard, de vleugel zelf in wezen elektrisch liet zweven, of ongeaard maakte.
Het team plaatste de gehele opstelling in MIT’s Wright Brothers Windtunnel, en onderwierp deze aan steeds hogere windsnelheden, tot 50 meter per seconde, terwijl zij ook de hoeveelheid spanning varieerden die zij op de draad toepasten. Tijdens deze tests maten zij de hoeveelheid elektrische lading die zich in de vleugel opbouwde, de stroom van de corona en gebruikten ook een ultraviolet-gevoelige camera om de helderheid van de corona-ontlading op de draad waar te nemen.
Eindelijk ontdekten zij dat de sterkte van de corona-ontlading en de resulterende helderheid afnamen naarmate de wind toenam – een verrassend en tegengesteld effect van wat wetenschappers hebben gezien voor wind die op geaarde constructies inwerkt.
Tegen de wind in
Het team ontwikkelde numerieke simulaties om te proberen het effect te verklaren, en ontdekte dat het proces voor niet-geaarde structuren grotendeels vergelijkbaar is met wat er gebeurt met geaarde objecten – maar met iets extra’s.
In beide gevallen blaast de wind de positieve ionen weg die door de corona worden gegenereerd, waardoor een sterker veld in de omringende lucht achterblijft. Bij niet-geaarde constructies echter, omdat zij elektrisch geïsoleerd zijn, worden zij meer negatief geladen. Dit resulteert in een verzwakking van de positieve corona-ontlading. De hoeveelheid negatieve lading die de vleugel vasthoudt, wordt bepaald door de concurrerende effecten van positieve ionen die door de wind worden meegevoerd en die welke worden aangetrokken en teruggetrokken als gevolg van de negatieve excursie. Dit secundaire effect, zo ontdekten de onderzoekers, verzwakt het lokale elektrische veld, evenals de elektrische gloed van de corona-ontlading.
“De corona-ontlading is de eerste fase van bliksem in het algemeen,” zegt Guerra-Garcia. “Hoe corona-ontlading zich gedraagt is belangrijk en zet een soort van het podium voor wat er vervolgens zou kunnen gebeuren in termen van elektrificatie.”
Tijdens de vlucht, vliegtuigen zoals vliegtuigen en helikopters produceren inherent wind, en een gloed corona systeem zoals degene getest in de windtunnel zou eigenlijk kunnen worden gebruikt om de elektrische lading van het voertuig te controleren. In aansluiting op eerder werk van het team hebben zij en haar collega’s eerder aangetoond dat, indien een vliegtuig op een gecontroleerde manier negatief kan worden opgeladen, het risico dat het vliegtuig door de bliksem wordt getroffen, kan worden verminderd. De nieuwe resultaten tonen aan dat het opladen van een vliegtuig tijdens de vlucht tot negatieve waarden kan worden bereikt met behulp van een gecontroleerde positieve corona-ontlading.
‘Het spannende van deze studie is dat, terwijl we probeerden aan te tonen dat de elektrische lading van een vliegtuig kan worden gecontroleerd met behulp van een corona-ontlading, we eigenlijk ontdekten dat klassieke theorieën over corona-ontlading in de wind niet van toepassing zijn op boordvliegtuigen, die elektrisch geïsoleerd zijn van hun omgeving,” zegt Guerra-Garcia. “Elektrische afbraak in vliegtuigen heeft een aantal unieke kenmerken die geen directe extrapolatie van grondstudies toestaan.”
Dit onderzoek werd gedeeltelijk gefinancierd door The Boeing Company, via het Strategic Universities for Boeing Research and Technology Program.