Op het hoogtepunt van een onweersbui, de uiteinden van zendmasten, telefoonpalen, en andere lange, elektrisch geleidende structuren kunnen spontaan een flits van blauw licht uitzenden. Deze elektrische gloed, bekend als een corona-ontlading, wordt geproduceerd wanneer de lucht rond een geleidend object kort wordt geïoniseerd door een elektrisch geladen omgeving.

Eeuwenlang, zeilers observeerden corona-ontladingen aan de uiteinden van scheepsmasten tijdens stormen op zee. Ze bedachten het fenomeen St. Elmo's fire, naar de patroonheilige van de zeelieden.

Wetenschappers hebben ontdekt dat een corona-ontlading kan versterken bij winderige omstandigheden, helderder gloeien naarmate de wind de lucht verder elektriseert. Deze door de wind veroorzaakte intensivering is vooral waargenomen in elektrisch geaarde constructies, zoals bomen en torens. Nu hebben lucht- en ruimtevaartingenieurs van MIT ontdekt dat wind een tegengesteld effect heeft op niet-geaarde objecten. zoals vliegtuigen en sommige windturbinebladen.

In enkele van de laatste experimenten die zijn uitgevoerd in de Wright Brothers Wind Tunnel van MIT voordat deze in 2019 werd ontmanteld, de onderzoekers stelden een elektrisch niet-geaard model van een vliegtuigvleugel bloot aan steeds sterkere windstoten. Ze ontdekten dat hoe sterker de wind, hoe zwakker de corona-ontlading, en de dimmer de gloed die werd geproduceerd.

De resultaten van het team verschijnen in de Journal of Geophysical Research:Atmosferen . De hoofdauteur van de studie is Carmen Guerra-Garcia, een assistent-professor luchtvaart en ruimtevaart aan het MIT. Haar co-auteurs aan het MIT zijn Ngoc Cuong Nguyen, een senior onderzoeker; Theodorus Mouratidis, een afgestudeerde student; en Manuel Martinez-Sanchez, een post-tenure hoogleraar luchtvaart en ruimtevaart.

elektrische wrijving

Binnen een onweerswolk, wrijving kan opbouwen om extra elektronen te produceren, het creëren van een elektrisch veld dat helemaal tot aan de grond kan reiken. Als dat veld sterk genoeg is, het kan omringende luchtmoleculen uit elkaar halen, neutrale lucht omzetten in een geladen gas, of plasma. Dit proces vindt meestal plaats rond scherpe, geleidende objecten zoals zendmasten en vleugeltips, aangezien deze puntige structuren de neiging hebben om het elektrische veld te concentreren op een manier dat elektronen uit de omringende luchtmoleculen naar de puntige structuren worden getrokken, een sluier van positief geladen plasma achterlatend direct rond het scherpe voorwerp.

Zodra een plasma is gevormd, de moleculen erin kunnen beginnen te gloeien via het proces van corona-ontlading, waar overtollige elektronen in het elektrische veld pingpongen tegen de moleculen, ze in opgewonden toestanden slaan. Om uit die opgewonden toestanden te komen, de moleculen zenden een foton van energie uit, op een golflengte die voor zuurstof en stikstof, komt overeen met de karakteristieke blauwachtige gloed van St. Elmo's vuur.

In eerdere laboratoriumexperimenten, wetenschappers ontdekten dat deze gloed, en de energie van een corona-ontlading, kan versterken in de aanwezigheid van wind. Een sterke windstoot kan in wezen de positief geladen ionen wegblazen, die het elektrische veld plaatselijk afschermden en het effect ervan verminderden, waardoor het voor elektronen gemakkelijker werd om een ​​sterker, helderdere gloed.

Deze experimenten werden meestal uitgevoerd met elektrisch geaarde constructies, en het MIT-team vroeg zich af of wind hetzelfde versterkende effect zou hebben op een corona-ontlading die werd geproduceerd rond een scherpe, ongeaard object, zoals een vliegtuigvleugel.

Om dit idee te testen, ze maakten een eenvoudige vleugelstructuur van hout en wikkelden de vleugel in folie om hem elektrisch geleidend te maken. In plaats van te proberen een elektrisch veld in de omgeving te produceren dat lijkt op wat zou worden gegenereerd in een onweersbui, het team bestudeerde een alternatieve configuratie waarin de corona-ontlading werd gegenereerd in een metalen draad die evenwijdig aan de lengte van de vleugel liep, en het aansluiten van een kleine hoogspanningsbron tussen draad en vleugel. Ze bevestigden de vleugel aan een voetstuk gemaakt van een isolerend materiaal dat, vanwege zijn niet-geleidende karakter, maakte de vleugel zelf in wezen elektrisch opgehangen, of ongegrond.

Het team plaatste de hele opstelling in de Wright Brothers Wind Tunnel van MIT, en onderwierp het aan steeds hogere windsnelheden, tot 50 meter per seconde, omdat ze ook de hoeveelheid spanning varieerden die ze op de draad aanbrachten. Tijdens deze testen ze maten de hoeveelheid elektrische lading die zich in de vleugel opbouwde, de stroom van de corona en gebruikte ook een ultraviolet-gevoelige camera om de helderheid van de corona-ontlading op de draad te observeren.

Uiteindelijk, ze ontdekten dat de sterkte van de corona-ontlading en de resulterende helderheid afnam naarmate de wind toenam - een verrassend en tegengesteld effect van wat wetenschappers hebben gezien voor wind die inwerkt op geaarde constructies.

Tegen de wind in getrokken

Het team ontwikkelde numerieke simulaties om het effect te verklaren, en vond dat, voor ongeaarde constructies, het proces is grotendeels vergelijkbaar met wat er gebeurt met geaarde objecten, maar met iets extra's.

In beide gevallen, de wind blaast de positieve ionen weg die door de corona worden gegenereerd, een sterker veld achterlatend in de omringende lucht. Voor niet-geaarde constructies, echter, omdat ze elektrisch geïsoleerd zijn, ze worden negatiever geladen. Dit resulteert in een verzwakking van de positieve corona-ontlading. De hoeveelheid negatieve lading die de vleugel vasthoudt, wordt bepaald door de concurrerende effecten van positieve ionen die door de wind worden geblazen en die welke worden aangetrokken en teruggetrokken als gevolg van de negatieve uitslag. Dit secundaire effect, vonden de onderzoekers, werkt om het lokale elektrische veld te verzwakken, evenals de elektrische gloed van de corona-ontlading.

"De corona-ontlading is de eerste fase van bliksem in het algemeen, " zegt Guerra-Garcia. "Hoe corona-ontlading zich gedraagt, is belangrijk en vormt een soort van decor voor wat er zou kunnen gebeuren op het gebied van elektrificatie."

tijdens de vlucht, vliegtuigen zoals vliegtuigen en helikopters produceren inherent wind, en een gloeicoronasysteem zoals dat in de windtunnel is getest, zou daadwerkelijk kunnen worden gebruikt om de elektrische lading van het voertuig te regelen. Aansluitend op eerder werk van het team, zij en haar collega's toonden eerder aan dat als een vliegtuig negatief geladen zou kunnen zijn, op een gecontroleerde manier, het risico van blikseminslag van het vliegtuig kan worden verminderd. De nieuwe resultaten laten zien dat het opladen van een vliegtuig tijdens de vlucht tot negatieve waarden kan worden bereikt met behulp van een gecontroleerde positieve corona-ontlading.

''Het opwindende aan deze studie is dat, terwijl ze proberen aan te tonen dat de elektrische lading van een vliegtuig kan worden gecontroleerd met behulp van een corona-ontlading, we hebben zelfs ontdekt dat klassieke theorieën over corona-ontlading in wind niet van toepassing zijn op luchtplatforms, die elektrisch geïsoleerd zijn van hun omgeving, "Zegt Guerra-Garcia. "Elektrische storingen die optreden in vliegtuigen hebben echt een aantal unieke kenmerken die directe extrapolatie uit grondstudies niet mogelijk maken."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.