Los expertos en aviación estiman que todos los aviones comerciales del mundo son alcanzados por un rayo al menos una vez al año. Alrededor del 90 por ciento de estos ataques probablemente sean provocados por el propio avión: en entornos de tormentas eléctricas, el exterior eléctricamente conductor de un avión puede actuar como un rayovarilla, provocando un golpe que podría dañar las estructuras externas del avión y comprometer su electrónica a bordo.
Para evitar la caída de rayos, los vuelos generalmente se desvían alrededor de las regiones tormentosas del cielo. Ahora, los ingenieros del MIT están proponiendo una nueva forma de reducir el riesgo de rayos de un avión, con un sistema a bordo que protegería un avión al cargarlo eléctricamente. La propuestaPuede parecer contradictorio, pero el equipo descubrió que si un avión se cargara al nivel justo, su probabilidad de ser alcanzada por un rayo se reduciría significativamente.
La idea surge del hecho de que, cuando un avión vuela a través de un campo eléctrico ambiental, su estado eléctrico externo, normalmente en equilibrio, cambia. A medida que un campo eléctrico externo polariza el avión, un extremo del avión se carga más positivamente,mientras que el otro extremo gira hacia una carga más negativa. A medida que el avión se polariza cada vez más, puede generar un flujo de plasma altamente conductivo, llamado líder positivo, la etapa anterior a un rayo.
En un escenario tan precario, los investigadores proponen cargar temporalmente un avión a un nivel negativo para amortiguar el extremo positivo más cargado, evitando así que ese extremo alcance un nivel crítico e inicie un rayo.
Los investigadores han demostrado a través del modelado que tal método funcionaría, al menos conceptualmente. Reportan sus resultados en el Revista del Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica .
El equipo, que incluye al profesor emérito Manuel Martínez-Sánchez y la profesora asistente Carmen Guerra-García, prevé equipar un avión con un sistema de control automatizado que consta de sensores y actuadores equipados con pequeñas fuentes de alimentación. Los sensores monitorearían el campo eléctrico circundante en busca designos de posible formación de líder, en respuesta a lo cual los actuadores emitirían una corriente para cargar la aeronave en la dirección adecuada. Los investigadores dicen que dicha carga requeriría niveles de potencia inferiores a los de una bombilla estándar.
"Estamos tratando de hacer que el avión sea lo más invisible posible a los rayos", dice el coautor Jaime Peraire, jefe del Departamento de Aeronáutica y Astronáutica del MIT y el Profesor HN Slater de Aeronáutica y Astronáutica ". Aparte de esta solución tecnológica", estamos trabajando en modelar la física detrás del proceso. Este es un campo donde había poca comprensión, y este es realmente un intento de crear cierta comprensión de los rayos provocados por aviones, desde cero ".
El otro coautor del artículo es Ngoc Cuong Nguyen, científico investigador del departamento de aeronáutica y astronáutica.
Relámpago floreciente
Para ser claros, el rayo en sí mismo representa muy poco peligro para los pasajeros dentro de una aeronave, ya que la cabina de un avión está bien aislada contra cualquier actividad eléctrica externa. En la mayoría de los casos, los pasajeros solo pueden ver un destello brillante o escuchar un ruido fuerte. Sin embargo, una aeronave que ha sido golpeada por un rayo a menudo requiere inspecciones de seguimiento y controles de seguridad que pueden retrasar su próximo vuelo. Si hay daños físicos en el avión, puede quedar fuera de servicio, algo que las aerolíneas preferirían evitar.
Además, los aviones más nuevos hechos en parte de estructuras compuestas no metálicas como la fibra de carbono pueden ser más vulnerables a los daños relacionados con los rayos, en comparación con sus contrapartes totalmente metálicas más antiguas. Esto se debe a que la carga puede acumularse en paneles que conducen mal y crear posibles diferenciasde panel a panel, lo que puede provocar que ciertas regiones de un panel brillen. Una medida de protección estándar es cubrir el exterior del avión con una malla metálica ligera.
"Las aeronaves modernas tienen un 50 por ciento de materiales compuestos, lo que cambia la imagen de manera muy significativa", dice Guerra-García. "El daño relacionado con los rayos es muy diferente, y las reparaciones son mucho más costosas para las aeronaves compuestas que las metálicas. Es por eso que la investigación sobrelos rayos están floreciendo ahora "
Siguiendo al líder
Guerra-García y sus colegas analizaron si la carga eléctrica de un avión reduciría el riesgo de rayos, una idea que inicialmente les sugirieron los colaboradores de Boeing, el patrocinador de la investigación.
"Están muy ansiosos por reducir la incidencia de estas cosas, en parte porque hay grandes costos relacionados con la protección contra rayos", dice Martínez-Sánchez.
Para ver si la idea de carga se mantuvo, el equipo del MIT primero desarrolló un modelo simple de un rayo provocado por un avión. Cuando un avión vuela a través de una tormenta eléctrica u otro entorno cargado de electricidad, el exterior del avión comienza a polarizarse,formando "líderes" o canales de plasma altamente conductivo, que fluye desde los extremos opuestos del avión y eventualmente hacia regiones de la atmósfera con carga opuesta.
"Imagine que dos canales de plasma se propagan muy rápidamente, y cuando alcanzan la nube y el suelo, forman un circuito y la corriente fluye a través de ellos", dice Guerra-García.
"Estos líderes llevan corriente, pero no mucho", agrega Martínez-Sánchez. "Pero en el peor de los casos, una vez que establecen un circuito, puede obtener 100,000 amperios, y ahí es cuando ocurre el daño".
Los investigadores desarrollaron un modelo matemático para describir las condiciones del campo eléctrico bajo las cuales los líderes se desarrollarían y cómo evolucionarían para desencadenar un rayo. Aplicaron este modelo a una geometría representativa de la aeronave y observaron si cambiar el potencial de la aeronave cargarlo negativamente evitaría que los líderes se formen y desencadenen un rayo.
Sus resultados muestran que, promediando las direcciones e intensidades del campo, el escenario cargado requería un campo eléctrico ambiental 50 por ciento más alto para iniciar un líder, en comparación con un escenario no cargado. En otras palabras, al cargar un avión a un nivel óptimo, suel riesgo de ser alcanzado por un rayo se reduciría significativamente.
"Numéricamente, uno puede ver que si pudiera implementar esta estrategia de carga, tendría una reducción significativa en los incidentes de rayos", dice Martínez-Sánchez. "Hay un gran si: ¿Puede implementarlo? Y ahí es dondeestamos trabajando ahora "
El estudiante graduado Theodore Mouratidis está realizando experimentos preliminares en el túnel de viento Wright Brothers del MIT, probando la factibilidad de cargar en una esfera metálica simple. Los investigadores también esperan llevar a cabo experimentos en entornos más realistas, por ejemplo, volando aviones no tripulados a través de una tormenta eléctrica.
Para que el sistema de carga sea práctico, Martínez-Sánchez dice que los investigadores tendrán que trabajar para acelerar su tiempo de respuesta. Según su modelado, él y sus colegas han descubierto que dicho sistema podría cargar y proteger un avión dentro de las fracciones de unsegundo, pero esto no será suficiente para proteger contra algunas formas de rayos desencadenados.
"El escenario del que nos podemos ocupar es volar a un área donde hay nubes de tormenta, y las nubes de tormenta producen una intensificación del campo eléctrico en la atmósfera", dice Martínez-Sánchez. "Eso se puede sentir y medir ena bordo, y podemos afirmar que para eventos de desarrollo relativamente lento, puede cargar un avión y adaptarse en tiempo real. Eso es bastante factible ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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