Międzynarodowy zespół naukowców przypadkiem zarejestrował radiowe „sygnatury” wyładowań na przelatującym samolocie i odkrył, że ładunek nie zawsze schodzi tam, gdzie projektanci by tego oczekiwali. To wiadomość ciekawa zarówno dla astronomów, jak i dla branży lotniczej.
Statyczna elektryczność na wysokości ośmiu kilometrów
Zespół kierowany przez Olafa Scholtensa z Uniwersytetu w Groningen analizował dane z dużego radioteleskopu LOFAR. Zazwyczaj służy on do badania zjawisk astronomicznych i wyładowań atmosferycznych, w tym bardzo szczegółowych obrazów piorunów. W jednym z zestawów danych badacze zauważyli jednak coś, co nie pasowało ani do klasycznych błyskawic, ani do znanych źródeł szumu. Regularnie pojawiały się krótkie impulsy fal radiowych z miejsca, w którym akurat znajdował się lecący wysoko samolot pasażerski.
Dalsza analiza i porównanie z danymi o ruchu lotniczym pozwoliły ustalić, że chodziło o Boeinga 777 jednej z dużych linii. Maszyna leciała na wysokości około ośmiu kilometrów, w rejonie chmur lodowych, które sprzyjają gromadzeniu się ładunku na powierzchni kadłuba. Radioteleskop był w stanie wyznaczyć położenie źródeł emisji z dokładnością sięgającą mniej więcej pół metra. To wystarczająco precyzyjnie, aby na planie samolotu zaznaczyć konkretne punkty, w których pojawiały się wyładowania.
Największe zaskoczenie przyszło, gdy naukowcy nanieśli te punkty na schemat maszyny. Zamiast końcówek skrzydeł i kadłuba, gdzie zamontowane są specjalne „piorunochrony” odprowadzające ładunek, silne emisje radiowe pojawiały się przede wszystkim w okolicach obu silników oraz w jednym konkretnym miejscu na stateczniku pionowym. Czyli tam, gdzie wcale nie spodziewano się tak intensywnych rozładowań.
LOFAR patrzy w kosmos, a przy okazji w samoloty
LOFAR to rozproszony po Europie zestaw anten pracujących na niskich częstotliwościach radiowych. Można go traktować jak ogromne, wirtualne ucho nasłuchujące najróżniejszych zjawisk na niebie. Zwykle chodzi o odległe kwazary, galaktyki czy sygnały związane z piorunami w atmosferze. Tym razem sprzęt zadziałał jak czuły radar wychwytujący, jak dokładnie samolot „rozładowuje się” podczas lotu przez naładowane chmury.
Po pierwszej analizie badacze zajrzeli do archiwum i znaleźli kolejne przypadki. W danych sprzed pewnego czasu widać było drugi samolot, przelatujący jeszcze wyżej, bo na około jedenastu i pół kilometra. Tam również źródła emisji radiowej skupiały się wokół silników i ogona, a nie na klasycznych elementach do odprowadzania ładunków. To oznacza, że nie był to pojedynczy przypadek ani błąd pomiaru, ale powtarzalny schemat.
Z punktu widzenia samych astronomów ta historia ma dodatkowy, bardzo praktyczny efekt. Emisje z samolotu okazały się świetnym „kalibratorem” dla technik obrazowania piorunów. Analizując znany, poruszający się obiekt, naukowcy wychwycili błąd systematyczny w swoich algorytmach i poprawili jakość rekonstrukcji wyładowań w chmurach. W efekcie przyszłe obrazy błyskawic będą jeszcze dokładniejsze, choć pierwotnie nikt nie planował używać do tego przelatujących nad radioteleskopem maszyn pasażerskich.
Co z tego ma lotnictwo i bezpieczeństwo lotów?
Dla pilotów i pasażerów najważniejsze jest jedno. Samoloty od dekad projektuje się tak, aby radziły sobie z ładunkiem elektrostatycznym i wyładowaniami. Kadłub działa jak klatka Faradaya, a specjalne wypustki na skrzydłach i końcówkach sterów mają bezpiecznie „zrzucać” ładunek do otoczenia. Nowe obserwacje nie podważają tego podejścia, ale sugerują, że rzeczywista mapa rozładowań może wyglądać inaczej, niż pokazują proste modele.
Skupienie emisji radiowych wokół silników i ogona może wiele powiedzieć o tym, jak ładunek rozkłada się na powierzchni maszyny w trakcie lotu przez zamarznięte chmury. To ważne, bo iskry w niewłaściwym miejscu mogłyby potencjalnie uszkadzać elementy konstrukcji, izolację przewodów lub w skrajnym przypadku wpływać na wrażliwe układy elektroniczne. Dla przemysłu lotniczego takie dane z realnych lotów są dużo cenniejsze niż same symulacje w tunelach aerodynamicznych.
Jeżeli podobne pomiary będą prowadzone na większej liczbie maszyn i w różnych warunkach pogodowych, inżynierowie mogą zyskać nowy zestaw narzędzi do optymalizacji konstrukcji. Można sobie wyobrazić na przykład inne rozmieszczenie elementów odprowadzających ładunki, lepsze prowadzenie wiązek kabli w strefach największego ryzyka lub dodatkowe zabezpieczenia w okolicach silników i ogona. To nie są zmiany, które widzimy z perspektywy fotela pasażera, ale dla producentów samolotów i linii lotniczych mogą mieć duże znaczenie.
Siła przypadkowego odkrycia
Ta historia jest podręcznikowym przykładem tego, jak nauka rozwija się dzięki przypadkowi połączonemu z dobrym przygotowaniem. Naukowcy chcieli lepiej zobaczyć, co dzieje się w chmurach podczas wyładowań atmosferycznych, a po drodze wpadli na nowy sposób badania zachowania samolotów w tych samych chmurach. Astronomiczny radioteleskop okazał się narzędziem, które może jednocześnie prowadzić obserwacje w kosmosie i zbierać bardzo praktyczne dane dla inżynierów lotniczych.
Z szerszej perspektywy pokazuje to, jak bardzo przenikają się dziś różne dziedziny. Sprzęt projektowany pierwotnie do badań nad galaktykami i piorunami nagle staje się nieoczekiwanym laboratorium dla specjalistów od bezpieczeństwa lotów. Jedna seria obserwacji poprawia jakość obrazów błyskawic, a przy okazji podsuwa pomysły na lepsze zrozumienie tego, jak samoloty rzeczywiście pozbywają się ładunku w powietrzu.
W najbliższych latach można spodziewać się kontynuacji takich prac. Im więcej danych, tym lepszy obraz zjawiska i tym większa szansa, że zostanie przełożone na konkretne rozwiązania techniczne. Być może za jakiś czas nowe generacje samolotów będą miały systemy odprowadzania ładunku zaprojektowane z wykorzystaniem wniosków z radioteleskopu, który pierwotnie powstał po to, żeby patrzeć w najdalsze zakątki wszechświata.