No auge de uma tempestade, as pontas das torres de celular, postes de telefone, e outro alto, estruturas eletricamente condutoras podem emitir espontaneamente um flash de luz azul. Este brilho elétrico, conhecido como descarga corona, é produzido quando o ar ao redor de um objeto condutor é brevemente ionizado por um ambiente eletricamente carregado.

Durante séculos, marinheiros observaram descargas de corona nas pontas dos mastros dos navios durante as tempestades no mar. Eles cunharam o fenômeno do fogo de Santo Elmo, após o santo padroeiro dos marinheiros.

Os cientistas descobriram que uma descarga de corona pode se fortalecer em condições de vento, brilhando mais intensamente à medida que o vento eletrifica ainda mais o ar. Esta intensificação induzida pelo vento foi observada principalmente em estruturas aterradas eletricamente, como árvores e torres. Agora, os engenheiros aeroespaciais do MIT descobriram que o vento tem um efeito oposto em objetos não aterrados, como aviões e algumas pás de turbinas eólicas.

Em alguns dos últimos experimentos realizados no túnel de vento Wright Brothers do MIT antes de ser desmontado em 2019, os pesquisadores expuseram um modelo sem aterramento elétrico de uma asa de avião a rajadas de vento cada vez mais fortes. Eles descobriram que quanto mais forte o vento, quanto mais fraca a descarga corona, e mais fraco o brilho que foi produzido.

Os resultados da equipe aparecem no Journal of Geophysical Research:Atmospheres . A autora principal do estudo é Carmen Guerra-Garcia, professor assistente de aeronáutica e astronáutica no MIT. Seus co-autores no MIT são Ngoc Cuong Nguyen, um cientista pesquisador sênior; Theodore Mouratidis, um estudante de graduação; e Manuel Martinez-Sanchez, um professor pós-mandato de aeronáutica e astronáutica.

Fricção elétrica

Dentro de uma nuvem de tempestade, o atrito pode aumentar para produzir elétrons extras, criando um campo elétrico que pode chegar até o solo. Se esse campo for forte o suficiente, pode quebrar as moléculas de ar circundantes, transformando o ar neutro em um gás carregado, ou plasma. Este processo ocorre mais frequentemente em torno de cortantes, objetos condutores, como torres de células e pontas de asas, como essas estruturas pontiagudas tendem a concentrar o campo elétrico de uma forma que os elétrons são puxados das moléculas de ar circundantes em direção às estruturas pontiagudas, deixando para trás um véu de plasma carregado positivamente imediatamente em torno do objeto pontiagudo.

Uma vez que o plasma se formou, as moléculas dentro dele podem começar a brilhar por meio do processo de descarga corona, onde o excesso de elétrons no campo elétrico faz pingue-pongue contra as moléculas, levando-os a estados de excitação. Para descer desses estados de excitação, as moléculas emitem um fóton de energia, em um comprimento de onda que, para oxigênio e nitrogênio, corresponde ao brilho azulado característico do fogo de Santo Elmo.

Em experimentos de laboratório anteriores, cientistas descobriram que este brilho, e a energia de uma descarga corona, pode se fortalecer na presença de vento. Uma rajada forte pode essencialmente soprar para longe os íons carregados positivamente, que estavam protegendo localmente o campo elétrico e reduzindo seu efeito - tornando mais fácil para os elétrons dispararem um campo elétrico mais forte, brilho mais brilhante.

Esses experimentos foram realizados principalmente com estruturas aterradas eletricamente, e a equipe do MIT se perguntou se o vento teria o mesmo efeito de fortalecimento em uma descarga corona que foi produzida em torno de um objeto não aterrado, como uma asa de avião.

Para testar essa ideia, eles fabricaram uma estrutura de asa simples de madeira e embrulharam a asa em papel alumínio para torná-la eletricamente condutora. Em vez de tentar produzir um campo elétrico ambiente semelhante ao que seria gerado em uma tempestade, a equipe estudou uma configuração alternativa em que a descarga corona foi gerada em um fio de metal paralelo ao comprimento da asa, e conectar uma pequena fonte de alimentação de alta tensão entre o fio e a asa. Eles prenderam a asa a um pedestal feito de um material isolante que, por causa de sua natureza não condutiva, essencialmente fez a própria asa suspensa eletricamente, ou não aterrado.

A equipe colocou toda a configuração no túnel de vento Wright Brothers do MIT, e o sujeitou a velocidades de vento cada vez mais altas, até 50 metros por segundo, como eles também variaram a quantidade de voltagem que aplicaram ao fio. Durante esses testes, eles mediram a quantidade de carga elétrica acumulada na asa, a corrente da corona e também usou uma câmera ultravioleta para observar o brilho da descarga da corona no fio.

No fim, eles descobriram que a força da descarga corona e seu brilho resultante diminuíam à medida que o vento aumentava - um efeito surpreendente e oposto ao que os cientistas observaram para o vento atuando em estruturas aterradas.

Puxado contra o vento

A equipe desenvolveu simulações numéricas para tentar explicar o efeito, e descobri isso, para estruturas não aterradas, o processo é muito semelhante ao que acontece com objetos aterrados - mas com algo extra.

Em ambos os casos, o vento está soprando para longe os íons positivos gerados pela corona, deixando para trás um campo mais forte no ar circundante. Para estruturas não aterradas, Contudo, porque eles são eletricamente isolados, eles se tornam mais carregados negativamente. Isso resulta em um enfraquecimento da descarga corona positiva. A quantidade de carga negativa que a asa retém é definida pelos efeitos concorrentes de íons positivos soprados pelo vento e aqueles atraídos e puxados para trás como resultado da excursão negativa. Este efeito secundário, os pesquisadores descobriram, atua para enfraquecer o campo elétrico local, bem como o brilho elétrico da descarga corona.

"A descarga corona é a primeira fase do raio em geral, "Guerra-Garcia diz." Como a descarga corona se comporta é importante e meio que prepara o terreno para o que pode acontecer a seguir em termos de eletrificação. "

Em vôo, aeronaves como aviões e helicópteros produzem vento inerentemente, e um sistema de corona de brilho como o testado no túnel de vento poderia realmente ser usado para controlar a carga elétrica do veículo. Conectando-se a algum trabalho anterior da equipe, ela e seus colegas mostraram anteriormente que se um avião pudesse ser carregado negativamente, de uma forma controlada, o risco do avião de ser atingido por um raio pode ser reduzido. Os novos resultados mostram que a carga de uma aeronave em vôo para valores negativos pode ser alcançada usando uma descarga de corona positiva controlada.

'' O interessante sobre este estudo é que, ao tentar demonstrar que a carga elétrica de uma aeronave pode ser controlada usando uma descarga corona, na verdade, descobrimos que as teorias clássicas de descarga corona no vento não se aplicam a plataformas aerotransportadas, que estão eletricamente isolados de seu ambiente, "Guerra-Garcia diz." A pane elétrica ocorrida em aeronaves realmente apresenta algumas características singulares que não permitem a extrapolação direta a partir de estudos de solo. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.