La înălțimea unei furtuni, vârfurile turnurilor de telefonie mobilă, ale stâlpilor de telefonie și ale altor structuri înalte, conductoare de electricitate, pot emite în mod spontan un flash de lumină albastră. Această strălucire electrică, cunoscută sub numele de descărcare corona, este produsă atunci când aerul care înconjoară un obiect conductiv este ionizat pentru scurt timp de un mediu încărcat electric.
De secole, marinarii au observat descărcări corona la vârfurile stâlpilor navelor în timpul furtunilor pe mare. Ei au botezat fenomenul focul Sfântului Elmo, după numele sfântului patron al marinarilor.
Cercetătorii au descoperit că o descărcare corona se poate intensifica în condiții de vânt, strălucind mai puternic pe măsură ce vântul electrizează și mai mult aerul. Această intensificare indusă de vânt a fost observată mai ales în structurile legate la pământ electric, cum ar fi copacii și turnurile. Acum, inginerii aerospațiali de la MIT au descoperit că vântul are un efect opus asupra obiectelor nelegate la pământ, cum ar fi avioanele și unele pale de turbine eoliene.
În unele dintre ultimele experimente efectuate în tunelul de vânt Wright Brothers de la MIT înainte ca acesta să fie demontat în 2019, cercetătorii au expus un model de aripă de avion nelegat la pământ din punct de vedere electric la rafale de vânt din ce în ce mai puternice. Ei au constatat că, cu cât vântul era mai puternic, cu atât mai slabă era descărcarea corona și cu atât mai slabă era strălucirea produsă.
Rezultatele echipei apar în Journal of Geophysical Research: Atmospheres. Autorul principal al studiului este Carmen Guerra-Garcia, profesor asistent de aeronautică și astronautică la MIT. Coautorii ei de la MIT sunt Ngoc Cuong Nguyen, cercetător științific principal; Theodore Mouratidis, student absolvent; și Manuel Martinez-Sanchez, profesor postdoctoral de aeronautică și astronautică.
Fricțiune electrică
În cadrul unui nor de furtună, frecarea se poate acumula pentru a produce electroni suplimentari, creând un câmp electric care poate ajunge până la sol. Dacă acest câmp este suficient de puternic, poate rupe moleculele de aer din jur, transformând aerul neutru într-un gaz încărcat, sau plasmă. Acest proces are loc cel mai adesea în jurul obiectelor ascuțite, conductoare, cum ar fi turnurile de telefonie mobilă și vârfurile aripilor, deoarece aceste structuri ascuțite tind să concentreze câmpul electric într-un mod în care electronii sunt atrași de la moleculele de aer din jur către structurile ascuțite, lăsând în urmă un văl de plasmă încărcată pozitiv imediat în jurul obiectului ascuțit.
După ce s-a format o plasmă, moleculele din interiorul acesteia pot începe să strălucească prin procesul de descărcare corona, în care electronii în exces din câmpul electric fac ping-pong împotriva moleculelor, lovindu-le în stări excitate. Pentru a coborî din aceste stări excitate, moleculele emit un foton de energie, la o lungime de undă care, pentru oxigen și azot, corespunde strălucirii albăstrui caracteristice focului de la St. Elmo.
În experimentele anterioare de laborator, oamenii de știință au descoperit că această strălucire, precum și energia unei descărcări corona, se pot întări în prezența vântului. O rafală puternică poate, în esență, să spulbere ionii încărcați pozitiv, care ecranau local câmpul electric și îi reduceau efectul – ceea ce face ca electronii să declanșeze mai ușor o strălucire mai puternică și mai luminoasă.
Aceste experimente au fost efectuate în cea mai mare parte cu structuri împământate electric, iar echipa MIT s-a întrebat dacă vântul ar avea același efect de întărire asupra unei descărcări corona care a fost produsă în jurul unui obiect ascuțit, fără împământare, cum ar fi o aripă de avion.
Pentru a testa această idee, au fabricat o structură simplă de aripă din lemn și au învelit aripa în folie pentru a o face conductoare electrică. În loc să încerce să producă un câmp electric ambiental similar cu cel care ar fi generat în timpul unei furtuni, echipa a studiat o configurație alternativă în care descărcarea corona a fost generată într-un fir metalic paralel cu lungimea aripii și conectarea unei mici surse de energie de înaltă tensiune între fir și aripă. Ei au fixat aripa pe un piedestal realizat dintr-un material izolator care, datorită naturii sale neconductoare, a făcut ca, în esență, aripa însăși să fie suspendată electric, sau fără împământare.
Echipa a plasat întreaga configurație în tunelul de vânt Wright Brothers al MIT și a supus-o la viteze din ce în ce mai mari ale vântului, până la 50 de metri pe secundă, în timp ce au variat, de asemenea, cantitatea de tensiune pe care au aplicat-o firului. În timpul acestor teste, ei au măsurat cantitatea de încărcătură electrică care se acumulează în aripă, curentul coroanei și au folosit, de asemenea, o cameră sensibilă la ultraviolete pentru a observa luminozitatea descărcării coroanei pe fir.
În final, au descoperit că puterea descărcării coroanei și luminozitatea rezultată a scăzut pe măsură ce vântul creștea – un efect surprinzător și opus față de ceea ce oamenii de știință au observat în cazul vântului care acționează asupra structurilor împământate.
Pulsiți împotriva vântului
Echipa a dezvoltat simulări numerice pentru a încerca să explice efectul și a descoperit că, pentru structurile nepământene, procesul este în mare măsură similar cu ceea ce se întâmplă cu obiectele împământate – dar cu ceva în plus.
În ambele cazuri, vântul suflă ionii pozitivi generați de corona, lăsând în urmă un câmp mai puternic în aerul înconjurător. În cazul structurilor nelegate la pământ, însă, pentru că sunt izolate electric, acestea devin mai încărcate negativ. Acest lucru duce la o slăbire a descărcării corona pozitive. Cantitatea de sarcină negativă pe care o reține aripa este stabilită de efectele concurente ale ionilor pozitivi suflați de vânt și ale celor atrași și trași înapoi ca urmare a excursiei negative. Acest efect secundar, au descoperit cercetătorii, acționează pentru a slăbi câmpul electric local, precum și strălucirea electrică a descărcării corona.
„Descărcarea corona este prima etapă a fulgerului în general”, spune Guerra-Garcia. „Modul în care se comportă descărcarea corona este important și pregătește oarecum terenul pentru ceea ce s-ar putea întâmpla în continuare în ceea ce privește electrificarea.”
În zbor, aeronavele, cum ar fi avioanele și elicopterele, produc în mod inerent vânt, iar un sistem de coroană luminoasă precum cel testat în tunelul aerodinamic ar putea fi de fapt utilizat pentru a controla încărcătura electrică a vehiculului. Făcând legătura cu unele lucrări anterioare ale echipei, ea și colegii ei au arătat anterior că, dacă un avion ar putea fi încărcat negativ, într-un mod controlat, riscul ca avionul să fie lovit de fulgere ar putea fi redus. Noile rezultate arată că încărcarea unui avion în zbor la valori negative poate fi realizată cu ajutorul unei descărcări corona pozitive controlate.
”Ceea ce este interesant la acest studiu este că, în timp ce încercam să demonstrăm că sarcina electrică a unui avion poate fi controlată cu ajutorul unei descărcări corona, am descoperit, de fapt, că teoriile clasice ale descărcării corona în vânt nu se aplică pentru platformele aeriene, care sunt izolate electric de mediul lor”, spune Guerra-Garcia. „Descărcarea electrică care are loc în aeronave prezintă într-adevăr unele caracteristici unice care nu permit extrapolarea directă din studiile de la sol.”
Această cercetare a fost finanțată, parțial, de The Boeing Company, prin intermediul programului Strategic Universities for Boeing Research and Technology.