Gli esperti di aviazione stimano che ogni aereo commerciale nel mondo sia colpito da un fulmine almeno una volta all'anno. Circa il 90 percento di questi attacchi è probabilmente innescato dall'aereo stesso:in ambienti con temporali, l'esterno elettricamente conduttivo di un aereo può fungere da parafulmine, innescando un attacco che potrebbe potenzialmente danneggiare le strutture esterne dell'aereo e compromettere l'elettronica di bordo.

Per evitare fulmini, i voli sono in genere deviati intorno alle regioni tempestose del cielo. Ora, Gli ingegneri del MIT stanno proponendo un nuovo modo per ridurre il rischio di fulmini di un aereo, con un sistema di bordo che proteggerebbe un aereo caricandolo elettricamente. La proposta può sembrare controintuitiva, ma il team ha scoperto che se un aereo fosse caricato al giusto livello, la sua probabilità di essere colpiti da un fulmine sarebbe notevolmente ridotta.

L'idea nasce dal fatto che, quando un aereo vola attraverso un campo elettrico ambientale, il suo stato elettrico esterno, normalmente in equilibrio, turni. Poiché un campo elettrico esterno polarizza l'aereo, un'estremità del piano diventa più caricata positivamente, mentre l'altra estremità oscilla verso una carica più negativa. Man mano che il piano diventa sempre più polarizzato, può innescare un flusso di plasma altamente conduttivo, chiamato un leader positivo, la fase precedente a un fulmine.

In uno scenario così precario, i ricercatori propongono di caricare temporaneamente un aereo a un livello negativo per smorzare l'estremità positiva più caricata, impedendo così a tale fine di raggiungere un livello critico e di avviare un fulmine.

I ricercatori hanno dimostrato attraverso la modellazione che un tale metodo funzionerebbe, almeno concettualmente. Riportano i loro risultati nel American Institute of Aeronautics and Astronautics Journal .

Il gruppo, che include il professore emerito Manuel Martinez-Sanchez e l'assistente professoressa Carmen Guerra-Garcia, prevede di dotare un aereo di un sistema di controllo automatizzato costituito da sensori e attuatori dotati di piccoli alimentatori. I sensori monitorerebbero il campo elettrico circostante alla ricerca di segni di possibile formazione di leader, in risposta alla quale gli attuatori emetterebbero una corrente per caricare l'aereo nella direzione appropriata. I ricercatori affermano che tale ricarica richiederebbe livelli di potenza inferiori a quelli di una lampadina standard.

"Stiamo cercando di rendere l'aereo il più invisibile possibile ai fulmini, " dice il co-autore Jaime Peraire, capo del Dipartimento di aeronautica e astronautica del MIT e il professore di aeronautica e astronautica H.N. Slater. "A parte questa soluzione tecnologica, stiamo lavorando per modellare la fisica dietro il processo. Questo è un campo dove c'era poca comprensione, e questo è davvero un tentativo di creare una certa comprensione dei fulmini innescati dagli aerei, da zero."

L'altro coautore del documento è Ngoc Cuong Nguyen, un ricercatore nel dipartimento di aeronautica e astronautica.

Fulmine fiorente

Per essere chiari, il fulmine stesso rappresenta un pericolo minimo per i passeggeri all'interno di un aeromobile, poiché la cabina di un aereo è ben isolata contro qualsiasi attività elettrica esterna. Nella maggior parte dei casi, i passeggeri possono vedere solo un lampo luminoso o sentire un forte scoppio. Tuttavia, un aeromobile colpito da un fulmine spesso richiede ispezioni di follow-up e controlli di sicurezza che potrebbero ritardare il volo successivo. In caso di danni fisici all'aereo, potrebbe essere messo fuori servizio, cosa che le compagnie aeree preferirebbero evitare.

Cosa c'è di più, gli aeromobili più recenti realizzati in parte con strutture composite non metalliche come la fibra di carbonio possono essere più vulnerabili ai danni causati dai fulmini, rispetto ai loro anziani, controparti interamente metalliche. Questo perché la carica può accumularsi su pannelli con scarsa conduzione e creare potenziali differenze da pannello a pannello, che può causare la scintilla in alcune zone del pannello. Una misura di protezione standard consiste nel coprire l'esterno dell'aeromobile con una rete metallica leggera.

"I velivoli moderni sono composti per circa il 50 percento, che cambia il quadro in modo molto significativo, " Dice Guerra-Garcia. "I danni causati dai fulmini sono molto diversi, e le riparazioni sono molto più costose per gli aerei compositi rispetto a quelli metallici. Questo è il motivo per cui la ricerca sui fulmini ora è fiorente".

Seguendo il leader

Guerra-Garcia e i suoi colleghi hanno esaminato se la ricarica elettrica di un aeroplano avrebbe ridotto il rischio di fulmini, un'idea che era stata inizialmente suggerita loro dai collaboratori della Boeing, lo sponsor della ricerca.

"Sono molto ansiosi di ridurre l'incidenza di queste cose, in parte perché ci sono grandi spese legate alla protezione contro i fulmini, " dice Martinez-Sanchez.

Per vedere se l'idea di ricarica ha resistito, il team del MIT ha sviluppato per la prima volta un modello semplice di un fulmine innescato da un aereo. Quando un aereo vola attraverso un temporale o un altro ambiente carico di elettricità, l'esterno del piano inizia a polarizzarsi, formare "leader, " o canali di plasma altamente conduttivo, fluendo dalle estremità opposte del piano e infine verso regioni dell'atmosfera di carica opposta.

"Immagina due canali di plasma che si propagano molto rapidamente, e quando raggiungono la nuvola e la terra, formano un circuito, e la corrente scorre, " dice Guerra-Garcia.

"Questi leader portano corrente, ma non molto, " aggiunge Martinez-Sanchez. "Ma nei casi peggiori, una volta che stabiliscono un circuito, puoi ottenere 100, 000 ampere, ed è allora che accade il danno."

I ricercatori hanno sviluppato un modello matematico per descrivere le condizioni del campo elettrico in cui si svilupperebbero i leader, e come si sarebbero evolute per innescare un fulmine. Hanno applicato questo modello a una geometria rappresentativa di un aereo e hanno cercato di vedere se la modifica del potenziale dell'aereo (caricandolo negativamente) avrebbe impedito ai leader di formare e innescare un fulmine.

I loro risultati mostrano che, media su direzioni e intensità di campo, lo scenario carico richiedeva un campo elettrico ambientale superiore del 50% per avviare un leader, rispetto a uno scenario non addebitato. In altre parole, caricando un aereo a un livello ottimale, il suo rischio di essere colpito da un fulmine sarebbe notevolmente ridotto.

"Numericamente, si può vedere che se si potesse implementare questa strategia di addebito, avresti una significativa riduzione degli incidenti di fulmini, " Martinez-Sanchez dice. "C'è un grande se:puoi implementarlo? Ed è lì che stiamo lavorando ora".

Il dottorando Theodore Mouratidis sta eseguendo esperimenti preliminari nel Wright Brothers Wind Tunnel del MIT, testare la fattibilità della ricarica su un semplice, sfera metallica. I ricercatori sperano anche di condurre esperimenti in ambienti più realistici, ad esempio facendo volare droni durante un temporale.

Per rendere pratico il sistema di ricarica, Martinez-Sanchez afferma che i ricercatori dovranno lavorare per accelerare i tempi di risposta. Sulla base della loro modellazione, lui e i suoi colleghi hanno scoperto che un tale sistema potrebbe caricare e proteggere un aereo in frazioni di secondo, ma questo non sarà sufficiente per proteggere da alcune forme di fulmine innescato.

"Lo scenario di cui possiamo occuparci è volare in un'area dove ci sono nuvole temporalesche, e le nubi temporalesche producono un'intensificazione del campo elettrico nell'atmosfera, " dice Martinez-Sanchez. "Questo può essere percepito e misurato a bordo, e possiamo affermare che per tali eventi a sviluppo relativamente lento, puoi caricare un aereo e adattarti in tempo reale. È abbastanza fattibile".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.