Na wysokości burzy czubki wież komórkowych, słupów telefonicznych i innych wysokich, elektrycznie przewodzących struktur mogą spontanicznie emitować błękitne światło. Ta elektryczna poświata, znana jako wyładowanie koronowe, powstaje, gdy powietrze otaczające przewodzący obiekt jest na krótko zjonizowane przez elektrycznie naładowane środowisko.
Przez wieki żeglarze obserwowali wyładowania koronowe na czubkach masztów statków podczas burz na morzu. Elmo’s fire, po patronie żeglarzy.
Naukowcy odkryli, że wyładowanie koronowe może wzmocnić się w wietrznych warunkach, świecąc jaśniej, gdy wiatr dodatkowo elektryzuje powietrze. To wywołane wiatrem wzmocnienie było obserwowane głównie w elektrycznie uziemionych strukturach, takich jak drzewa i wieże. Teraz inżynierowie lotnictwa i kosmonautyki z MIT odkryli, że wiatr ma przeciwny wpływ na nieuziemione obiekty, takie jak samoloty i niektóre łopaty turbin wiatrowych.
W jednych z ostatnich eksperymentów przeprowadzonych w MIT’s Wright Brothers Wind Tunnel przed jego demontażem w 2019 roku, badacze wystawili elektrycznie nieuziemiony model skrzydła samolotu na coraz silniejsze podmuchy wiatru. Stwierdzili, że im silniejszy wiatr, tym słabsze wyładowanie koronowe i tym ciemniejsza poświata, która została wytworzona.
Wyniki zespołu pojawiają się w Journal of Geophysical Research: Atmospheres. Główną autorką badań jest Carmen Guerra-Garcia, asystentka profesora aeronautyki i astronautyki na MIT. Jej współautorzy z MIT to Ngoc Cuong Nguyen, starszy pracownik naukowy, Theodore Mouratidis, student i Manuel Martinez-Sanchez, profesor aeronautyki i astronautyki.
Tarcie elektryczne
Wewnątrz chmury burzowej, tarcie może wytworzyć dodatkowe elektrony, tworząc pole elektryczne, które może dotrzeć aż do ziemi. Jeśli pole to jest wystarczająco silne, może rozerwać otaczające cząsteczki powietrza, zmieniając neutralne powietrze w naładowany gaz lub plazmę. Proces ten najczęściej zachodzi wokół ostrych, przewodzących obiektów, takich jak wieże komórkowe i końcówki skrzydeł, ponieważ te spiczaste struktury mają tendencję do koncentrowania pola elektrycznego w taki sposób, że elektrony są wyciągane z otaczających cząsteczek powietrza w kierunku spiczastych struktur, pozostawiając za sobą zasłonę dodatnio naładowanej plazmy bezpośrednio wokół ostrego obiektu.
Gdy plazma została utworzona, molekuły w niej mogą zacząć świecić w procesie wyładowania koronowego, gdzie nadmiar elektronów w polu elektrycznym ping-pong o molekuły, wbijając je w stany wzbudzone. Aby wyjść z tych stanów wzbudzonych, molekuły emitują foton energii o długości fali, która dla tlenu i azotu odpowiada charakterystycznej niebieskawej poświacie ognia św. Elma.
W poprzednich eksperymentach laboratoryjnych naukowcy odkryli, że poświata ta, oraz energia wyładowania koronowego, może się wzmocnić w obecności wiatru. Silny podmuch może zasadniczo zdmuchnąć dodatnio naładowane jony, które lokalnie osłaniały pole elektryczne i zmniejszały jego efekt – ułatwiając elektronom wyzwolenie silniejszej, jaśniejszej poświaty.
Eksperymenty te były przeprowadzane głównie z elektrycznie uziemionymi strukturami, a zespół MIT zastanawiał się, czy wiatr miałby taki sam wzmacniający wpływ na wyładowania koronowe, które były wytwarzane wokół ostrego, nieuziemionego obiektu, takiego jak skrzydło samolotu.
Aby przetestować ten pomysł, stworzyli prostą strukturę skrzydła z drewna i owinęli skrzydło folią, aby uczynić je elektrycznie przewodzącym. Zamiast próbować wytworzyć pole elektryczne podobne do tego, jakie powstaje podczas burzy, zespół zbadał alternatywną konfigurację, w której wyładowanie koronowe jest generowane w metalowym przewodzie biegnącym równolegle do długości skrzydła i podłączającym małe źródło wysokiego napięcia pomiędzy przewodem a skrzydłem. Skrzydło zostało przymocowane do cokołu wykonanego z materiału izolacyjnego, który ze względu na swoją nieprzewodzącą naturę sprawił, że samo skrzydło zostało elektrycznie zawieszone lub pozbawione uziemienia.
Zespół umieścił całą konfigurację w tunelu aerodynamicznym MIT’s Wright Brothers Wind Tunnel i poddał ją działaniu wiatru o coraz większej prędkości, aż do 50 metrów na sekundę, zmieniając przy tym wielkość napięcia przyłożonego do przewodu. Podczas tych testów mierzyli ilość ładunku elektrycznego gromadzącego się w skrzydle, natężenie prądu korony, a także używali kamery czułej na ultrafiolet, aby obserwować jasność wyładowań koronowych na drucie.
W końcu odkryli, że siła wyładowań koronowych i ich jasność malała wraz ze wzrostem prędkości wiatru – zaskakujący i przeciwny efekt od tego, który naukowcy zaobserwowali w przypadku wiatru działającego na uziemione konstrukcje.
Poddane działaniu wiatru
Zespół opracował symulacje numeryczne, aby spróbować wyjaśnić ten efekt i odkrył, że w przypadku nieuziemionych konstrukcji proces jest w dużej mierze podobny do tego, co dzieje się z uziemionymi obiektami – ale z czymś dodatkowym.
W obu przypadkach wiatr rozwiewa jony dodatnie generowane przez koronę, pozostawiając silniejsze pole w otaczającym powietrzu. Dla nieuziemionych struktur, jednak, ponieważ są one elektrycznie izolowane, stają się bardziej ujemnie naładowane. Powoduje to osłabienie dodatniego wyładowania koronowego. Ilość ładunku ujemnego, jaki zachowuje skrzydło, zależy od konkurujących ze sobą efektów jonów dodatnich wydmuchiwanych przez wiatr oraz tych, które są przyciągane i przyciągane z powrotem w wyniku wyładowań ujemnych. Ten wtórny efekt, naukowcy odkryli, działa w celu osłabienia lokalnego pola elektrycznego, jak również wyładowanie koronowe elektryczne glow.
„Wyładowanie koronowe jest pierwszym etapem pioruna w ogóle,” Guerra-Garcia mówi. „To, jak zachowuje się wyładowanie koronowe, jest ważne i wyznacza kierunek rozwoju elektryfikacji.”
W czasie lotu samoloty, takie jak samoloty i helikoptery, z natury wytwarzają wiatr, a system korony jarzeniowej, taki jak ten testowany w tunelu aerodynamicznym, mógłby być wykorzystywany do sterowania ładunkiem elektrycznym pojazdu. W nawiązaniu do wcześniejszych prac zespołu, ona i jej koledzy wykazali wcześniej, że jeśli samolot mógłby być naładowany ujemnie, w sposób kontrolowany, ryzyko uderzenia pioruna w samolot mogłoby zostać zmniejszone. Nowe wyniki pokazują, że ładowanie samolotu w locie do wartości ujemnych można osiągnąć za pomocą kontrolowanego dodatniego wyładowania koronowego.
”Ekscytujące w tym badaniu jest to, że próbując wykazać, że ładunek elektryczny samolotu można kontrolować za pomocą wyładowania koronowego, odkryliśmy, że klasyczne teorie wyładowania koronowego w wietrze nie mają zastosowania do platform powietrznych, które są elektrycznie odizolowane od otoczenia” – mówi Guerra-Garcia. „Wyładowania elektryczne występujące w samolotach mają pewne unikalne cechy, które nie pozwalają na bezpośrednią ekstrapolację z badań naziemnych.”
Badania te zostały częściowo sfinansowane przez The Boeing Company, w ramach programu Strategic Universities for Boeing Research and Technology.