A la altura de una tormenta, las puntas de las torres de telefonía celular, los postes telefónicos y otras estructuras altas y conductoras de electricidad pueden emitir espontáneamente un destello de luz azul. Este resplandor eléctrico, conocido como descarga de corona, se produce cuando el aire que rodeaun objeto conductor es ionizado brevemente por un entorno cargado eléctricamente.
Durante 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, en honor al 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 deEl MIT descubrió que el viento tiene un efecto opuesto en objetos sin conexión a tierra, como aviones y algunas palas de turbinas eólicas.
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 de un ala de avión a ráfagas de viento cada vez más fuertes. Descubrieron que cuanto más fuerte es el viento, más débil esdescarga de corona, y cuanto más tenue es el brillo que se produce.
Los resultados del equipo se publicaron por primera vez en Revista de investigación geofísica: Atmósferas el 28 de julio. La autora principal del estudio es Carmen Guerra-García, profesora asistente de aeronáutica y astronáutica en el MIT. Sus coautores en el MIT son Ngoc Cuong Nguyen, investigador científico senior; Theodore Mouratidis, estudiante de posgrado; yManuel Martínez-Sánchez, 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, convirtiendo el aire neutro en ungas cargado o plasma. Este proceso ocurre con mayor frecuencia alrededor de objetos conductores puntiagudos, como torres de células y puntas de alas, ya que estas estructuras puntiagudas tienden a concentrar el campo eléctrico de tal manera que los electrones se extraen de las moléculas de aire circundantes hacia las estructuras puntiagudas.dejando detrás 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, golpeándolas en estados excitados. Para descender de esosestados excitados, las moléculas emiten un fotón de energía, en una longitud de onda que, para el oxígeno y el nitrógeno, corresponde al característico resplandor azulado del fuego de San Telmo.
En experimentos de laboratorio anteriores, los científicos encontraron que este resplandor, y la energía de una descarga de corona, pueden fortalecerse en presencia de viento. Una ráfaga fuerte esencialmente puede expulsar los iones cargados positivamente, que estaban protegiendo localmente el campo eléctrico y reduciendosu efecto: facilita que los electrones activen un brillo más fuerte y 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 objeto afilado 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 eléctrica, el equipo estudióuna configuración alternativa en la que la descarga de corona se generaba en un alambre de metal que corría paralelo a la longitud del ala y conectaba una pequeña fuente de energía de alto voltaje entre el alambre 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 estuviera eléctricamente suspendida o sin conexión a tierra.
El equipo colocó toda la configuración en el túnel de viento Wright Brothers del MIT y la 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 que se acumulaba en el ala, la corriente de la corona y también utilizaron una cámara sensible a los rayos ultravioleta para observar el brillo de la descarga de la corona en el cable.
Al final, descubrieron que la fuerza de la descarga de corona y su brillo resultante disminuyeron 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 tratar de explicar el efecto y descubrió que, para las estructuras sin conexión a tierra, el proceso es muy similar a lo que sucede con los objetos conectados a tierra, pero con algo más.
En ambos casos, el viento aleja los iones positivos generados por la corona, dejando un campo más fuerte en el aire circundante. Sin embargo, para las estructuras sin conexión a tierra, debido a que están aisladas eléctricamente, se cargan más negativamente. Esto da como resultadoun 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 soplados por el viento y los atraídos y retirados como resultado de la excursión negativa. Este efecto secundario, los investigadoresencontrado, actúa para debilitar el campo eléctrico local, así como el brillo eléctrico de la descarga de corona.
"La descarga de corona es la primera etapa de un rayo en general", dice Guerra-García. "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 viento de forma inherente, y un sistema de corona incandescente 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 se puede cargar negativamente, de manera controlada, el riesgo de que el avión sea alcanzado por un rayo podría reducirse. Los nuevos resultados muestran que la carga de un avión en vuelo a valores negativos se puede lograr utilizandouna descarga de corona positiva controlada.
'' Lo interesante de este estudio es que, mientras intentamos demostrar que la carga eléctrica de una aeronave se puede controlar mediante una descarga de corona, en realidad descubrimos que las teorías clásicas de 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 aviones realmente presentan algunas características únicas que no permiten la extrapolación directa de los estudios en tierra ".
Esta investigación fue financiada, en parte, por The Boeing Company, a través del Programa de Investigación y Tecnología de Universidades Estratégicas para Boeing.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por Jennifer Chu. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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