Los expertos en aviación estiman que todos los aviones comerciales del mundo son alcanzados por un rayo al menos una vez al año. Es probable que alrededor del 90 por ciento de estos ataques sean provocados por la propia aeronave:en entornos de tormentas eléctricas, El exterior eléctricamente conductor de un avión puede actuar como un pararrayos, provocando un golpe que podría dañar las estructuras exteriores del avión y comprometer su electrónica a bordo.

Para evitar los rayos, los vuelos se desvían típicamente alrededor de regiones tormentosas del cielo. Ahora, Los ingenieros del MIT están proponiendo una nueva forma de reducir el riesgo de rayos en un avión, con un sistema a bordo que protegería un avión cargándolo eléctricamente. La propuesta puede parecer contradictoria, pero el equipo descubrió que si un avión se cargaba al nivel correcto, su probabilidad de ser golpeado por un rayo se reduciría significativamente.

La idea surge del hecho de que, cuando un avión vuela a través de un campo eléctrico ambiental, su estado eléctrico externo, normalmente en equilibrio, turnos. Como un campo eléctrico externo polariza la aeronave, un extremo del avión se carga más positivamente, mientras que el otro extremo se inclina hacia una carga más negativa. A medida que el avión se polariza cada vez más, puede desencadenar un flujo de plasma altamente conductor, llamado líder positivo:la etapa anterior a un rayo.

En un escenario tan precario, los investigadores proponen cargar temporalmente un avión a un nivel negativo para amortiguar el extremo positivo más cargado, evitando así que ese extremo alcance un nivel crítico e inicie un rayo.

Los investigadores han demostrado a través de modelos que tal método funcionaría, al menos conceptualmente. Informan sus resultados en el Revista del Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica .

El equipo, que incluye al profesor emérito Manuel Martínez-Sánchez y a la profesora asistente Carmen Guerra-García, prevé equipar un avión con un sistema de control automatizado que consta de sensores y actuadores equipados con pequeñas fuentes de alimentación. Los sensores monitorearían el campo eléctrico circundante en busca de signos de posible formación de líderes, en respuesta a lo cual los actuadores emitirían una corriente para cargar la aeronave en la dirección apropiada. Los investigadores dicen que tal carga requeriría niveles de energía más bajos que los de una bombilla estándar.

"Estamos tratando de hacer que la aeronave sea lo más invisible posible para los rayos, "dice el coautor Jaime Peraire, jefe del Departamento de Aeronáutica y Astronáutica del MIT y el Profesor H.N. Slater de Aeronáutica y Astronáutica. "Aparte de esta solución tecnológica, estamos trabajando en modelar la física detrás del proceso. Este es un campo donde había poca comprensión, y esto es realmente un intento de crear cierta comprensión de los rayos provocados por aviones, desde el principio."

El otro coautor del artículo es Ngoc Cuong Nguyen, un científico investigador en el departamento de aeronáutica y astronáutica.

Relámpago floreciente

Para ser claro, el rayo en sí mismo representa muy poco peligro para los pasajeros dentro de un avión, ya que la cabina de un avión está bien aislada contra cualquier actividad eléctrica externa. En la mayoría de los casos, es posible que los pasajeros solo vean un destello brillante o escuchen una explosión fuerte. Sin embargo, Una aeronave que ha sido alcanzada por un rayo a menudo requiere inspecciones de seguimiento y verificaciones de seguridad que pueden retrasar su próximo vuelo. Si hay daño físico en el avión, puede ser puesto fuera de servicio, algo que las aerolíneas preferirían evitar.

Y lo que es más, Los aviones más nuevos fabricados en parte con estructuras compuestas no metálicas, como la fibra de carbono, pueden ser más vulnerables a los daños relacionados con los rayos. en comparación con sus mayores, contrapartes totalmente metálicas. Esto se debe a que la carga se puede acumular en paneles de mala conducción y crear diferencias potenciales de un panel a otro. lo que puede hacer que se produzcan chispas en determinadas regiones de un panel. Una medida de protección estándar es cubrir el exterior de la aeronave con una malla metálica ligera.

"Los aviones modernos son compuestos en un 50 por ciento, que cambia la imagen de manera muy significativa, "Dice Guerra-García." El daño relacionado con los rayos es muy diferente, y las reparaciones son mucho más costosas para las aeronaves compuestas que para las metálicas. Es por eso que la investigación sobre los rayos está floreciendo ahora ".

Siguiendo al líder

Guerra-García y sus colegas analizaron si cargar eléctricamente un avión reduciría el riesgo de que caiga un rayo, una idea que inicialmente les sugirieron los colaboradores de Boeing. el patrocinador de la investigación.

"Están muy ansiosos por reducir la incidencia de estas cosas, en parte porque hay grandes gastos relacionados con la protección contra rayos, "Dice Martínez-Sánchez.

Para ver si la idea de cargar se mantuvo, El equipo del MIT desarrolló por primera vez un modelo simple de un rayo provocado por un avión. Cuando un avión vuela a través de una tormenta eléctrica u otro entorno cargado eléctricamente, el exterior del avión comienza a polarizarse, formando "líderes, "o canales de plasma altamente conductivo, fluye desde los extremos opuestos del avión y finalmente hacia las regiones de la atmósfera con carga opuesta.

"Imagina dos canales de plasma que se propagan muy rápidamente, y cuando lleguen a la nube y al suelo, forman un circuito, y la corriente fluye a través, "Dice Guerra-García.

"Estos líderes llevan corriente, pero no mucho, ", Agrega Martínez-Sánchez." Pero en el peor de los casos, una vez que establecen un circuito, puedes conseguir 100, 000 amperios, y ahí es cuando ocurre el daño ".

Los investigadores desarrollaron un modelo matemático para describir las condiciones del campo eléctrico bajo las cuales se desarrollarían los líderes, y cómo evolucionarían para desencadenar un rayo. Aplicaron este modelo a una geometría de aeronave representativa y observaron si cambiar el potencial de la aeronave (cargarlo negativamente) evitaría que los líderes se formaran y desencadenaran un rayo.

Sus resultados muestran que, promediar las direcciones e intensidades del campo, el escenario cargado requería un campo eléctrico ambiental 50 por ciento más alto para iniciar un líder, en comparación con un escenario no cargado. En otras palabras, cargando un avión a un nivel óptimo, su riesgo de ser alcanzado por un rayo se reduciría significativamente.

"Numéricamente, uno puede ver que si pudiera implementar esta estrategia de cargo, tendría una reducción significativa en los incidentes de rayos, "Dice Martínez-Sánchez." Hay un gran si:¿Puedes implementarlo? Y ahí es donde estamos trabajando ahora ".

El estudiante de posgrado Theodore Mouratidis está realizando experimentos preliminares en el túnel de viento Wright Brothers del MIT, probar la viabilidad de cargar en un simple, esfera metálica. Los investigadores también esperan realizar experimentos en entornos más realistas, por ejemplo, volando drones a través de una tormenta.

Para que el sistema de carga sea práctico, Martínez-Sánchez dice que los investigadores tendrán que trabajar para acelerar su tiempo de respuesta. Basado en su modelado, él y sus colegas han descubierto que un sistema de este tipo podría cargar y proteger un avión en fracciones de segundo, pero esto no será suficiente para protegerse contra algunas formas de relámpagos disparados.

"El escenario del que podemos ocuparnos es volar a un área donde hay nubes de tormenta, y las nubes de tormenta producen una intensificación del campo eléctrico en la atmósfera, ", Dice Martínez-Sánchez." Eso se puede sentir y medir a bordo, y podemos afirmar que para eventos de desarrollo relativamente lento, puedes cargar un avión y adaptarte en tiempo real. Eso es bastante factible ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.