När åskvädret är som störst kan spetsarna på mobilmaster, telefonstolpar och andra höga, elektriskt ledande konstruktioner spontant sända ut en blixt av blått ljus. Detta elektriska sken, som kallas koronaurladdning, uppstår när luften som omger ett ledande föremål kortvarigt joniseras av en elektriskt laddad miljö.
I århundraden har sjömän observerat koronaurladdningar vid spetsarna av fartygsmaster under stormar till havs. De kallade fenomenet St Elmo’s fire, efter sjömännens skyddshelgon.
Vetenskapsmännen har upptäckt att en koronaurladdning kan förstärkas i blåsiga förhållanden och lysa starkare när vinden elektrifierar luften ytterligare. Denna vindinducerade förstärkning har främst observerats i elektriskt jordade strukturer, såsom träd och torn. Nu har flyg- och rymdingenjörer vid MIT upptäckt att vinden har en motsatt effekt på ojordade objekt, såsom flygplan och vissa vindturbinblad.
I några av de sista experimenten som utfördes i MIT:s Wright Brothers Wind Tunnel innan den monterades ned 2019 utsatte forskarna en elektriskt ojordad modell av en flygplansvinge för allt kraftigare vindstötar. De fann att ju starkare vinden var, desto svagare var koronaurladdningen och desto svagare var glöden som producerades.
Lagets resultat publiceras i Journal of Geophysical Research: Atmospheres. Studiens huvudförfattare är Carmen Guerra-Garcia, biträdande professor i flyg- och rymdteknik vid MIT. Hennes medförfattare vid MIT är Ngoc Cuong Nguyen, senior forskare, Theodore Mouratidis, doktorand, och Manuel Martinez-Sanchez, professor i flyg- och rymdteknik.
Elektrisk friktion
Inom ett stormoln kan friktion byggas upp för att producera extra elektroner, vilket skapar ett elektriskt fält som kan nå ända ner till marken. Om detta fält är tillräckligt starkt kan det bryta sönder omgivande luftmolekyler och förvandla neutral luft till en laddad gas, eller plasma. Denna process sker oftast runt skarpa, ledande föremål som mobilmaster och vingspetsar, eftersom dessa spetsiga strukturer tenderar att koncentrera det elektriska fältet på ett sådant sätt att elektroner dras från omgivande luftmolekyler mot de spetsiga strukturerna, vilket lämnar efter sig en slöja av positivt laddad plasma omedelbart runt det spetsiga föremålet.
När plasman väl har bildats kan molekylerna i den börja glöda genom koronaurladdning, där överskottselektroner i det elektriska fältet ping-pongar mot molekylerna, vilket gör att de hamnar i exciterade tillstånd. För att komma ner från dessa exciterade tillstånd avger molekylerna en energipoton med en våglängd som för syre och kväve motsvarar det karakteristiska blåaktiga skenet från St. Elmos eld.
I tidigare laboratorieexperiment har forskarna funnit att detta sken, och energin från en koronaurladdning, kan förstärkas i närvaro av vind. En kraftig vindpust kan i princip blåsa bort de positivt laddade joner som lokalt skyddade det elektriska fältet och minskade dess effekt – vilket gör det lättare för elektronerna att utlösa ett starkare och ljusare sken.
Dessa experiment utfördes mestadels med elektriskt jordade strukturer, och MIT-teamet undrade om vind skulle ha samma förstärkande effekt på en koronaurladdning som producerades runt ett vasst, ojordat föremål, till exempel en flygplansvinge.
För att testa den här idén tillverkade de en enkel vingstruktur av trä och svepte in vingen i folie för att göra den elektriskt ledande. I stället för att försöka skapa ett omgivande elektriskt fält som liknar det som genereras i ett åskväder studerade gruppen en alternativ konfiguration där koronaurladdningen genererades i en metalltråd som löper parallellt med vingens längd, och där man anslöt en liten högspänningsströmkälla mellan tråd och vinge. De fäste vingen på en piedestal gjord av ett isolerande material som, på grund av sin icke-ledande natur, i princip gjorde själva vingen elektriskt upphängd, eller ojordad.
Teamet placerade hela installationen i MIT:s Wright Brothers Wind Tunnel och utsatte den för allt högre vindhastigheter, upp till 50 meter per sekund, samtidigt som de varierade spänningsmängden som de lade på tråden. Under dessa tester mätte de mängden elektrisk laddning som byggdes upp i vingen, koronaströmmen och använde även en ultraviolettkänslig kamera för att observera ljusstyrkan hos koronaurladdningen på tråden.
I slutändan fann de att styrkan hos koronaurladdningen och dess resulterande ljusstyrka minskade i takt med att vinden ökade – en överraskande och motsatt effekt jämfört med vad forskarna har sett för vind som verkar på jordade strukturer.
Trängda mot vinden
Teamet utvecklade numeriska simuleringar för att försöka förklara effekten och fann att för ojordade strukturer är processen i stort sett lik den som sker med jordade objekt – men med något extra.
I båda fallen blåser vinden bort de positiva joner som genereras av koronafältet och lämnar efter sig ett starkare fält i den omgivande luften. För ojordade strukturer blir de dock mer negativt laddade eftersom de är elektriskt isolerade. Detta resulterar i en försvagning av den positiva koronaurladdningen. Mängden negativ laddning som vingen behåller bestäms av de konkurrerande effekterna av positiva joner som blåser av vinden och de som attraheras och dras tillbaka som ett resultat av den negativa utflykten. Denna sekundära effekt, konstaterade forskarna, verkar för att försvaga det lokala elektriska fältet, liksom koronaurladdningens elektriska glöd.
”Koronaurladdningen är det första stadiet av blixtnedslag i allmänhet”, säger Guerra-Garcia. ”Hur koronaurladdningen beter sig är viktigt och sätter liksom scenen för vad som kan hända härnäst när det gäller elektrifiering.”
Under flygning producerar flygplan som flygplan och helikoptrar vind, och ett glödkoronasystem som det som testades i vindtunneln skulle faktiskt kunna användas för att styra den elektriska laddningen i fordonet. Med koppling till vissa tidigare arbeten av teamet har hon och hennes kollegor tidigare visat att om ett flygplan kunde laddas negativt, på ett kontrollerat sätt, skulle flygplanets risk att träffas av blixten kunna minskas. De nya resultaten visar att det går att ladda ett flygplan under flygning till negativa värden med hjälp av en kontrollerad positiv koronaurladdning.
”Det spännande med den här studien är att när vi försökte visa att ett flygplans elektriska laddning kan kontrolleras med hjälp av en koronaurladdning, upptäckte vi faktiskt att klassiska teorier om koronaurladdning i vind inte gäller för luftburna plattformar, som är elektriskt isolerade från sin omgivning”, säger Guerra-Garcia. ”Elektrisk uppdelning i flygplan har verkligen några unika egenskaper som inte tillåter en direkt extrapolering från studier på marken.”
Denna forskning finansierades delvis av The Boeing Company, genom Strategic Universities for Boeing Research and Technology Program.