På höjden av ett åskväder, spetsarna på mobiltorn, telefonstolpar, och andra långa, elektriskt ledande strukturer kan spontant avge en blixt av blått ljus. Denna elektriska glöd, känd som en koronaurladdning, produceras när luften som omger ett ledande föremål kortvarigt joniseras av en elektriskt laddad miljö.

I århundraden, sjömän observerade corona-utsläpp vid toppen av fartygsmaster under stormar till havs. De myntade fenomenet St. Elmo's fire, efter sjömännens skyddshelgon.

Forskare har funnit att en koronaurladdning kan förstärkas i blåsiga förhållanden, lyser starkare när vinden elektrifierar luften ytterligare. Denna vindinducerade intensifiering har observerats mestadels i elektriskt jordade strukturer, som träd och torn. Nu har flygingenjörer vid MIT funnit att vind har motsatt effekt på ojordade föremål, såsom flygplan och vissa vindkraftverk.

I några av de sista experimenten som utfördes i MIT:s Wright Brothers Wind Tunnel innan den demonterades 2019, forskarna utsatte en elektriskt ojordad modell av en flygplansvinge för allt starkare vindbyar. De fann att ju starkare vinden, desto svagare är coronaurladdningen, och ju dimmer glöd som producerades.

Lagets resultat visas i Journal of Geophysical Research:Atmospheres . Studiens huvudförfattare är Carmen Guerra-Garcia, en biträdande professor i flygteknik och astronautik vid MIT. Hennes medförfattare vid MIT är Ngoc Cuong Nguyen, en senior forskare; Theodore Mouratidis, en doktorand; och Manuel Martinez-Sanchez, en postanställd professor i flyg- och astronautik.

Elektrisk friktion

Inom ett stormmoln, friktion kan byggas upp för att producera extra elektroner, skapar ett elektriskt fält som kan nå hela vägen till marken. Om det fältet är tillräckligt starkt, det kan bryta isär omgivande luftmolekyler, förvandla neutral luft till en laddad gas, eller plasma. Denna process sker oftast runt skarpa, ledande föremål som celltorn och vingspetsar, eftersom dessa spetsiga strukturer tenderar att koncentrera det elektriska fältet på ett sätt så att elektroner dras från omgivande luftmolekyler mot de spetsiga strukturerna, lämnar efter sig en slöja av positivt laddad plasma omedelbart runt det vassa föremålet.

När en plasma har bildats, molekylerna i den kan börja glöda genom processen med koronaurladdning, där överskott av elektroner i det elektriska fältet pingisar mot molekylerna, slå dem in i upphetsade tillstånd. För att komma ner från dessa upphetsade tillstånd, molekylerna avger en foton av energi, vid en våglängd som, för syre och kväve, motsvarar den karakteristiska blåaktiga glöden från S:t Elmos eld.

I tidigare laboratorieförsök, forskare fann att denna glöd, och energin från en koronaurladdning, kan förstärkas i närvaro av vind. En stark vind kan i huvudsak blåsa bort de positivt laddade jonerna, som lokalt skärmade det elektriska fältet och minskade dess effekt – vilket gjorde det lättare för elektroner att utlösa en starkare, ljusare glöd.

Dessa experiment utfördes mestadels med elektriskt jordade strukturer, och MIT-teamet undrade om vinden skulle ha samma förstärkande effekt på en koronaurladdning som producerades runt en skarp, ojordat föremål, till exempel en flygplansvinge.

För att testa denna idé, de tillverkade en enkel vingstruktur av trä och slog in vingen i folie för att göra den elektriskt ledande. Istället för att försöka producera ett omgivande elektriskt fält som liknar det som skulle genereras i ett åskväder, teamet studerade en alternativ konfiguration där koronaurladdningen genererades i en metalltråd som löper parallellt med vingens längd, och ansluta en liten högspänningsströmkälla mellan tråd och vinge. De fäste vingen på en piedestal gjord av ett isolerande material som, på grund av dess icke-ledande natur, gjorde i huvudsak själva vingen elektriskt upphängd, eller ojordad.

Teamet placerade hela installationen i MIT:s Wright Brothers Wind Tunnel, och utsatt den för allt högre vindhastigheter, upp till 50 meter per sekund, eftersom de också varierade mängden spänning som de applicerade på tråden. Under dessa tester, de mätte mängden elektrisk laddning som byggdes upp i vingen, koronans ström och använde även en ultraviolett-känslig kamera för att observera ljusstyrkan hos koronaurladdningen på tråden.

I slutet, de fann att styrkan hos koronaurladdningen och dess resulterande ljusstyrka minskade när vinden ökade - en överraskande och motsatt effekt från vad forskare har sett för vind som verkar på jordade strukturer.

Drog mot vinden

Teamet utvecklade numeriska simuleringar för att försöka förklara effekten, och fann att, för ojordade strukturer, processen liknar i stort sett det som händer med jordade objekt – men med något extra.

I båda fallen, vinden blåser bort de positiva joner som genereras av koronan, lämnar efter sig ett starkare fält i den omgivande luften. För ojordade strukturer, dock, eftersom de är elektriskt isolerade, de blir mer negativt laddade. Detta resulterar i en försvagning av den positiva koronaurladdningen. Mängden negativ laddning som vingen behåller bestäms av de konkurrerande effekterna av positiva joner som blåser av vinden och de som attraheras och dras tillbaka som ett resultat av den negativa avvikelsen. Denna sekundära effekt, forskarna fann, verkar för att försvaga det lokala elektriska fältet, samt koronaurladdningens elektriska glöd.

"Koronaurladdningen är det första steget av blixten i allmänhet, " Guerra-Garcia säger. "Hur koronaurladdningen beter sig är viktigt och sätter på sätt och vis scenen för vad som kan hända härnäst när det gäller elektrifiering."

Under flykt, flygplan som flygplan och helikoptrar producerar vind, och ett glödkoronasystem som det som testades i vindtunneln skulle faktiskt kunna användas för att kontrollera fordonets elektriska laddning. Ansluter till något tidigare arbete av teamet, hon och hennes kollegor visade tidigare att om ett plan kunde vara negativt laddat, på ett kontrollerat sätt, planets risk att bli träffad av blixten skulle kunna minskas. De nya resultaten visar att laddning av ett flygplan under flygning till negativa värden kan uppnås med en kontrollerad positiv koronaurladdning.

''Det spännande med den här studien är att, samtidigt som man försöker visa att den elektriska laddningen av ett flygplan kan kontrolleras med hjälp av en koronaurladdning, vi upptäckte faktiskt att klassiska teorier om koronaurladdning i vind inte gäller för luftburna plattformar, som är elektriskt isolerade från sin miljö, Guerra-Garcia säger. "Elektriskt haveri som inträffar i flygplan uppvisar verkligen några unika egenskaper som inte tillåter direkt extrapolering från markstudier."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.