Al culmine di un temporale, le punte dei ripetitori cellulari, pali del telefono, e altri alti, le strutture elettricamente conduttive possono emettere spontaneamente un lampo di luce blu. Questo bagliore elettrico, nota come scarica corona, viene prodotto quando l'aria che circonda un oggetto conduttivo viene ionizzata brevemente da un ambiente caricato elettricamente.

Per secoli, i marinai hanno osservato scariche di corona sulle punte degli alberi delle navi durante le tempeste in mare. Hanno coniato il fenomeno fuoco di Sant'Elmo, dopo il patrono dei marinai.

Gli scienziati hanno scoperto che una scarica corona può rafforzarsi in condizioni di vento, risplende più intensamente mentre il vento elettrizza ulteriormente l'aria. Questa intensificazione indotta dal vento è stata osservata principalmente in strutture con messa a terra elettrica, come alberi e torri. Ora gli ingegneri aerospaziali del MIT hanno scoperto che il vento ha un effetto opposto sugli oggetti senza terra, come gli aeroplani e alcune pale di turbine eoliche.

In alcuni degli ultimi esperimenti eseguiti nel Wright Brothers Wind Tunnel del MIT prima che fosse smantellato nel 2019, i ricercatori hanno esposto un modello elettricamente senza messa a terra di un'ala di aeroplano a raffiche di vento sempre più forti. Hanno scoperto che più forte è il vento, più debole è la scarica della corona, e più fioco il bagliore che veniva prodotto.

I risultati della squadra appaiono nel Journal of Geophysical Research:Atmospheres . L'autrice principale dello studio è Carmen Guerra-Garcia, un assistente professore di aeronautica e astronautica al MIT. I suoi coautori al MIT sono Ngoc Cuong Nguyen, un ricercatore senior; Teodoro Mouratidis, uno studente laureato; e Manuel Martinez-Sanchez, un professore di ruolo di aeronautica e astronautica.

Frizione elettrica

Dentro una nuvola di tempesta, l'attrito può accumularsi per produrre elettroni extra, creando un campo elettrico che può arrivare fino al suolo. Se quel campo è abbastanza forte, può rompere le molecole d'aria circostanti, trasformare l'aria neutra in un gas carico, o plasma. Questo processo si verifica più spesso intorno a taglienti, oggetti conduttivi come torri cellulari e punte delle ali, poiché queste strutture appuntite tendono a concentrare il campo elettrico in modo tale che gli elettroni vengano attirati dalle molecole d'aria circostanti verso le strutture appuntite, lasciando dietro di sé un velo di plasma caricato positivamente immediatamente attorno all'oggetto appuntito.

Una volta formato il plasma, le molecole al suo interno possono iniziare a brillare attraverso il processo di scarica corona, dove gli elettroni in eccesso nel campo elettrico fanno ping-pong contro le molecole, buttandoli in stati eccitati. Per scendere da quegli stati eccitati, le molecole emettono un fotone di energia, ad una lunghezza d'onda che, per ossigeno e azoto, corrisponde al caratteristico bagliore bluastro del fuoco di Sant'Elmo.

In precedenti esperimenti di laboratorio, gli scienziati hanno scoperto che questo bagliore, e l'energia di una scarica a corona, può rafforzarsi in presenza di vento. Una forte raffica può essenzialmente spazzare via gli ioni caricati positivamente, che schermavano localmente il campo elettrico e ne riducevano l'effetto, rendendo più facile per gli elettroni attivare un campo elettrico più forte, bagliore più luminoso.

Questi esperimenti sono stati per lo più condotti con strutture messe a terra elettricamente, e il team del MIT si è chiesto se il vento avrebbe avuto lo stesso effetto di rafforzamento su una scarica a corona che è stato prodotto intorno a un forte, oggetto senza fondamento, come un'ala di aeroplano.

Per testare questa idea, hanno fabbricato una semplice struttura alare in legno e hanno avvolto l'ala in un foglio per renderlo elettricamente conduttivo. Piuttosto che cercare di produrre un campo elettrico ambientale simile a quello che verrebbe generato in un temporale, il team ha studiato una configurazione alternativa in cui la scarica corona è stata generata in un filo metallico che corre parallelo alla lunghezza dell'ala, e collegando una piccola fonte di alimentazione ad alta tensione tra il filo e l'ala. Hanno fissato l'ala a un piedistallo realizzato con un materiale isolante che, a causa della sua natura non conduttiva, essenzialmente ha reso l'ala stessa sospesa elettricamente, o senza fondamento.

Il team ha posizionato l'intera configurazione nel Wright Brothers Wind Tunnel del MIT, e lo sottopose a velocità del vento sempre più elevate, fino a 50 metri al secondo, poiché variavano anche la quantità di tensione applicata al filo. Durante questi test, hanno misurato la quantità di carica elettrica che si accumula nell'ala, la corrente della corona e ha anche utilizzato una telecamera sensibile ai raggi ultravioletti per osservare la luminosità della scarica della corona sul filo.

Alla fine, hanno scoperto che la forza della scarica corona e la sua luminosità risultante diminuivano all'aumentare del vento, un effetto sorprendente e opposto a quello che gli scienziati hanno visto per il vento che agisce sulle strutture a terra.

Tirato contro il vento

Il team ha sviluppato simulazioni numeriche per cercare di spiegare l'effetto, e ho scoperto che, per strutture prive di messa a terra, il processo è in gran parte simile a quello che accade con gli oggetti radicati, ma con qualcosa in più.

In entrambi i casi, il vento sta spazzando via gli ioni positivi generati dalla corona, lasciando dietro di sé un campo più forte nell'aria circostante. Per le strutture senza messa a terra, però, perché sono elettricamente isolati, diventano più carichi negativamente. Ciò si traduce in un indebolimento della scarica corona positiva. La quantità di carica negativa che l'ala trattiene è determinata dagli effetti concorrenti degli ioni positivi soffiati dal vento e di quelli attratti e tirati indietro a causa dell'escursione negativa. Questo effetto secondario, i ricercatori hanno scoperto, agisce per indebolire il campo elettrico locale, così come il bagliore elettrico della scarica a corona.

"La scarica a corona è il primo stadio dei fulmini in generale, " Dice Guerra-Garcia. "Il modo in cui si comporta la scarica della corona è importante e pone le basi per ciò che potrebbe accadere dopo in termini di elettrificazione".

In volo, aerei come aerei ed elicotteri producono intrinsecamente vento, e un sistema glow corona come quello testato nella galleria del vento potrebbe effettivamente essere utilizzato per controllare la carica elettrica del veicolo. Collegandosi ad alcuni lavori precedenti del team, lei e i suoi colleghi hanno dimostrato in precedenza che se un aereo potesse essere caricato negativamente, in modo controllato, il rischio dell'aereo di essere colpito da un fulmine potrebbe essere ridotto. I nuovi risultati mostrano che la carica di un aeromobile in volo a valori negativi può essere ottenuta utilizzando una scarica corona positiva controllata.

''La cosa eccitante di questo studio è che, cercando di dimostrare che la carica elettrica di un aeromobile può essere controllata utilizzando una scarica a corona, abbiamo effettivamente scoperto che le teorie classiche della scarica corona nel vento non si applicano alle piattaforme aeree, che sono elettricamente isolati dal loro ambiente, " dice Guerra-Garcia. "Il guasto elettrico che si verifica negli aerei presenta davvero alcune caratteristiche uniche che non consentono l'estrapolazione diretta dagli studi a terra".

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.