Au plus fort d'un orage, les pointes des tours cellulaires, poteaux téléphoniques, et d'autres grands, les structures électriquement conductrices peuvent émettre spontanément un éclair de lumière bleue. Cette lueur électrique, connue sous le nom de décharge corona, est produit lorsque l'air entourant un objet conducteur est brièvement ionisé par un environnement électriquement chargé.

Depuis des siècles, les marins ont observé des décharges corona à l'extrémité des mâts des navires lors de tempêtes en mer. Ils ont inventé le phénomène du feu de Saint-Elme, après le saint patron des marins.

Les scientifiques ont découvert qu'une décharge corona peut se renforcer dans des conditions venteuses, brille de plus en plus à mesure que le vent électrise davantage l'air. Cette intensification induite par le vent a été observée principalement dans les structures mises à la terre électriquement, comme les arbres et les tours. Maintenant, les ingénieurs aérospatiaux du MIT ont découvert que le vent a un effet opposé sur les objets non mis à la terre, comme les avions et certaines pales d'éoliennes.

Dans certaines des dernières expériences réalisées dans la soufflerie Wright Brothers du MIT avant son démantèlement en 2019, les chercheurs ont exposé un modèle électriquement non mis à la terre d'une aile d'avion à des rafales de vent de plus en plus fortes. Ils ont découvert que plus le vent est fort, plus la décharge corona est faible, et le gradateur la lueur qui a été produite.

Les résultats de l'équipe apparaissent dans le Journal of Geophysical Research :Atmosphères . L'auteur principal de l'étude est Carmen Guerra-Garcia, professeur assistant d'aéronautique et d'astronautique au MIT. Ses co-auteurs au MIT sont Ngoc Cuong Nguyen, un chercheur scientifique principal ; Théodore Mouratidis, un étudiant diplômé; et Manuel Martinez-Sanchez, professeur post-titulaire d'aéronautique et d'astronautique.

Frottement électrique

Dans un nuage d'orage, la friction peut s'accumuler pour produire des électrons supplémentaires, créant un champ électrique pouvant atteindre le sol. Si ce champ est assez fort, il peut briser les molécules d'air environnantes, transformer l'air neutre en gaz chargé, ou plasma. Ce processus se produit le plus souvent autour de pointu, des objets conducteurs tels que des tours cellulaires et des extrémités d'ailes, comme ces structures pointues ont tendance à concentrer le champ électrique de manière à ce que les électrons soient attirés des molécules d'air environnantes vers les structures pointues, laissant derrière lui un voile de plasma chargé positivement immédiatement autour de l'objet pointu.

Une fois le plasma formé, les molécules qu'il contient peuvent commencer à briller via le processus de décharge corona, où les électrons en excès dans le champ électrique ping-pong contre les molécules, les faisant tomber dans des états excités. Afin de descendre de ces états excités, les molécules émettent un photon d'énergie, à une longueur d'onde qui, pour l'oxygène et l'azote, correspond à la lueur bleuâtre caractéristique du feu de Saint-Elme.

Lors d'expériences antérieures en laboratoire, les scientifiques ont découvert que cette lueur, et l'énergie d'une décharge corona, peut se renforcer en présence de vent. Une forte rafale peut essentiellement souffler les ions chargés positivement, qui protégeaient localement le champ électrique et réduisaient son effet, ce qui permettait aux électrons de déclencher plus facilement un lueur plus brillante.

Ces expériences ont été principalement réalisées avec des structures mises à la terre électriquement, et l'équipe du MIT s'est demandé si le vent aurait le même effet de renforcement sur une décharge corona qui a été produite autour d'une forte, objet non mis à la terre, comme une aile d'avion.

Pour tester cette idée, ils ont fabriqué une structure d'aile simple en bois et ont enveloppé l'aile dans du papier d'aluminium pour la rendre électriquement conductrice. Plutôt que d'essayer de produire un champ électrique ambiant similaire à ce qui serait généré lors d'un orage, l'équipe a étudié une configuration alternative dans laquelle la décharge corona était générée dans un fil métallique parallèle à la longueur de l'aile, et connecter une petite source d'alimentation haute tension entre le fil et l'aile. Ils ont fixé l'aile à un socle fait d'un matériau isolant qui, en raison de sa nature non conductrice, fait essentiellement l'aile elle-même suspendue électriquement, ou sans mise à la terre.

L'équipe a placé l'ensemble de l'installation dans la soufflerie Wright Brothers du MIT, et l'a soumis à des vitesses de vent de plus en plus élevées, jusqu'à 50 mètres par seconde, car ils variaient également la quantité de tension qu'ils appliquaient au fil. Lors de ces tests, ils ont mesuré la quantité de charge électrique accumulée dans l'aile, le courant de la couronne et a également utilisé une caméra sensible aux ultraviolets pour observer la luminosité de la décharge couronne sur le fil.

À la fin, ils ont découvert que la force de la décharge corona et sa luminosité résultante diminuaient à mesure que le vent augmentait, un effet surprenant et opposé à ce que les scientifiques ont observé pour le vent agissant sur les structures mises à la terre.

Tiré contre le vent

L'équipe a développé des simulations numériques pour tenter d'expliquer l'effet, et trouvé que, pour les structures non mises à la terre, le processus est en grande partie similaire à ce qui se passe avec les objets mis à la terre, mais avec quelque chose en plus.

Dans les deux cas, le vent chasse les ions positifs générés par la couronne, laissant un champ plus fort dans l'air environnant. Pour les structures non mises à la terre, cependant, car ils sont isolés électriquement, ils deviennent plus chargés négativement. Il en résulte un affaiblissement de la décharge corona positive. La quantité de charge négative que l'aile retient est définie par les effets concurrents des ions positifs soufflés par le vent et ceux attirés et retirés en raison de l'excursion négative. Cet effet secondaire, les chercheurs ont trouvé, agit pour affaiblir le champ électrique local, ainsi que la lueur électrique de la décharge corona.

"La décharge corona est le premier stade de la foudre en général, " Dit Guerra-Garcia. « Le comportement de la décharge corona est important et prépare en quelque sorte le décor de ce qui pourrait se passer ensuite en termes d'électrification. »

En vol, les aéronefs tels que les avions et les hélicoptères produisent intrinsèquement du vent, et un système de couronne luminescente comme celui testé en soufflerie pourrait en fait être utilisé pour contrôler la charge électrique du véhicule. Se connecter à certains travaux antérieurs de l'équipe, elle et ses collègues ont déjà montré que si un avion pouvait être chargé négativement, de façon contrôlée, le risque que l'avion soit frappé par la foudre pourrait être réduit. Les nouveaux résultats montrent que la charge d'un avion en vol à des valeurs négatives peut être obtenue en utilisant une décharge corona positive contrôlée.

''Ce qui est passionnant dans cette étude, c'est que, en essayant de démontrer que la charge électrique d'un avion peut être contrôlée à l'aide d'une décharge corona, nous avons en fait découvert que les théories classiques de la décharge corona dans le vent ne s'appliquent pas aux plates-formes aéroportées, isolés électriquement de leur environnement, " dit Guerra-Garcia. " Les pannes électriques survenant dans les avions présentent vraiment des caractéristiques uniques qui ne permettent pas l'extrapolation directe à partir des études au sol. "

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.