En el apogeo de una tormenta las puntas de las torres de telefonía móvil, postes de teléfono, y otros altos, Las estructuras eléctricamente conductoras pueden emitir espontáneamente un destello de luz azul. Este resplandor eléctrico conocida como descarga de corona, se produce cuando el aire que rodea un objeto conductor es ionizado brevemente por un entorno cargado eléctricamente.

Por siglos, Los marineros observaron descargas de corona en las puntas de los mástiles de los barcos durante las tormentas en el mar. Acuñaron el fenómeno del fuego de San Telmo, después del santo patrón de los marineros.

Los científicos han descubierto que una descarga de corona puede fortalecerse en condiciones de viento, brillando más intensamente a medida que el viento electrifica aún más el aire. Esta intensificación inducida por el viento se ha observado principalmente en estructuras conectadas a tierra, como árboles y torres. Ahora, los ingenieros aeroespaciales del MIT han descubierto que el viento tiene un efecto opuesto en los objetos sin conexión a tierra, como aviones y algunas palas de aerogeneradores.

En algunos de los últimos experimentos realizados en el túnel de viento Wright Brothers del MIT antes de que fuera desmantelado en 2019, los investigadores expusieron un modelo sin conexión a tierra del ala de un avión a ráfagas de viento cada vez más fuertes. Descubrieron que cuanto más fuerte era el viento, cuanto más débil es la descarga de corona, y cuanto más tenue el resplandor que se produjo.

Los resultados del equipo aparecen en la Journal of Geophysical Research:Atmósferas . La autora principal del estudio es Carmen Guerra-García, profesor asistente de aeronáutica y astronáutica en el MIT. Sus coautores en el MIT son Ngoc Cuong Nguyen, un científico investigador senior; Theodore Mouratidis, un estudiante graduado; y Manuel Martinez-Sanchez, un profesor post-titular de aeronáutica y astronáutica.

Fricción eléctrica

Dentro de una nube de tormenta la fricción puede acumularse para producir electrones adicionales, creando un campo eléctrico que puede llegar hasta el suelo. Si ese campo es lo suficientemente fuerte, puede romper las moléculas de aire circundantes, convertir el aire neutro en un gas cargado, o plasma. Este proceso ocurre con mayor frecuencia alrededor de objetos conductores como torres de telefonía móvil y puntas de alas, ya que estas estructuras puntiagudas tienden a concentrar el campo eléctrico de tal forma que los electrones se extraen de las moléculas de aire circundantes hacia las estructuras puntiagudas, dejando atrás un velo de plasma cargado positivamente inmediatamente alrededor del objeto afilado.

Una vez que se ha formado un plasma, las moléculas dentro de él pueden comenzar a brillar a través del proceso de descarga de corona, donde el exceso de electrones en el campo eléctrico hace ping-pong contra las moléculas, poniéndolos en estados de excitación. Para bajar de esos estados excitados, las moléculas emiten un fotón de energía, a una longitud de onda que, para oxígeno y nitrógeno, corresponde al característico resplandor azulado del fuego de San Telmo.

En experimentos de laboratorio anteriores, los científicos descubrieron que este resplandor, y la energía de una descarga de corona, Puede fortalecerse en presencia del viento. Una ráfaga fuerte puede esencialmente soplar los iones cargados positivamente, que protegían localmente el campo eléctrico y reducían su efecto, lo que facilitaba que los electrones dispararan un campo eléctrico más fuerte resplandor más brillante.

Estos experimentos se llevaron a cabo principalmente con estructuras conectadas a tierra eléctricamente, y el equipo del MIT se preguntó si el viento tendría el mismo efecto de fortalecimiento en una descarga de corona que se produjo alrededor de un fuerte, objeto sin conexión a tierra, como el ala de un avión.

Para probar esta idea, fabricaron una estructura de ala simple de madera y envolvieron el ala en papel de aluminio para hacerla conductora de electricidad. En lugar de intentar producir un campo eléctrico ambiental similar al que se generaría en una tormenta, El equipo estudió una configuración alternativa en la que la descarga de corona se generaba en un cable metálico que corría paralelo a la longitud del ala. y conectar una pequeña fuente de alimentación de alto voltaje entre el cable y el ala. Fijaron el ala a un pedestal hecho de un material aislante que, debido a su naturaleza no conductora, esencialmente hizo que el ala se suspendiera eléctricamente, o sin conexión a tierra.

El equipo colocó toda la configuración en el túnel de viento Wright Brothers del MIT, y lo sometió a velocidades de viento cada vez más altas, hasta 50 metros por segundo, ya que también variaron la cantidad de voltaje que aplicaron al cable. Durante estas pruebas, midieron la cantidad de carga eléctrica acumulada en el ala, la corriente de la corona y también usó una cámara sensible a los rayos ultravioleta para observar el brillo de la descarga de la corona en el cable.

En el final, descubrieron que la fuerza de la descarga de corona y su brillo resultante disminuían a medida que aumentaba el viento, un efecto sorprendente y opuesto al que los científicos han visto para el viento que actúa sobre estructuras conectadas a tierra.

Tirado contra el viento

El equipo desarrolló simulaciones numéricas para intentar explicar el efecto, y encontré que, para estructuras sin conexión a tierra, el proceso es muy similar a lo que sucede con los objetos conectados a tierra, pero con algo adicional.

En ambos casos, el viento se lleva los iones positivos generados por la corona, dejando atrás un campo más fuerte en el aire circundante. Para estructuras sin conexión a tierra, sin embargo, porque están eléctricamente aislados, se cargan más negativamente. Esto da como resultado un debilitamiento de la descarga de corona positiva. La cantidad de carga negativa que retiene el ala está determinada por los efectos competitivos de los iones positivos arrastrados por el viento y los atraídos y retraídos como resultado de la excursión negativa. Este efecto secundario, los investigadores encontraron, actúa para debilitar el campo eléctrico local, así como el resplandor eléctrico de la descarga de corona.

"La descarga de corona es la primera etapa del rayo en general, Guerra-García dice:"La forma en que se comporta la descarga de corona es importante y prepara el escenario para lo que podría suceder a continuación en términos de electrificación".

En vuelo aviones como aviones y helicópteros producen inherentemente viento, y un sistema de corona luminosa como el que se probó en el túnel de viento podría usarse para controlar la carga eléctrica del vehículo. Conectando con algún trabajo previo del equipo, ella y sus colegas demostraron anteriormente que si un avión puede tener carga negativa, de forma controlada, El riesgo del avión de ser alcanzado por un rayo podría reducirse. Los nuevos resultados muestran que la carga de una aeronave en vuelo a valores negativos se puede lograr utilizando una descarga de corona positiva controlada.

'' Lo interesante de este estudio es que, al intentar demostrar que la carga eléctrica de una aeronave se puede controlar mediante una descarga de corona, De hecho, descubrimos que las teorías clásicas de la descarga de corona en el viento no se aplican a las plataformas aéreas, que están eléctricamente aislados de su entorno, "Dice Guerra-García." Las averías eléctricas que ocurren en las aeronaves realmente presentan algunas características únicas que no permiten la extrapolación directa de los estudios en tierra ".

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.