Naukowcy z Rzeszowa badają wyładowania atmosferyczne i ich oddziaływania

Dr inż. Grzegorz Karnas i dr inż. Kamil Filik z Katedry Elektrotechniki i Podstaw Informatyki na Wydziale Elektrotechniki i Informatyki PRz pod kierownictwem dr. hab. inż. Grzegorza Masłowskiego, prof. PRz, od wielu lat prowadzą badania w obszarze wyładowań atmosferycznych i ich oddziaływań. Prace naukowców skupiają się głównie na modelowaniu i symulacjach procesów zachodzących w kanale piorunowym, testach poligonowych i laboratoryjnych systemów ochrony odgromowej z wykorzystaniem generatorów dużej mocy, rejestracji wyładowań atmosferycznych z wykorzystaniem anten oraz szybkich kamer wideo, a także badaniach systemów uziemień oraz oddziaływania prądu piorunowego i impulsowego pola elektromagnetycznego, m.in. na wyposażenie elektryczne i elektroniczne samolotów oraz nowe materiały kompozytowe.

Każdego roku na kuli ziemskiej rejestruje się ok. 1,5 mld wyładowań atmosferycznych (~50 wyładowań na sekundę). Mimo swojego niezaprzeczalnego piękna i tajemniczości pioruny niosą ze sobą również niebezpieczeństwo i zniszczenie. Szczególnie narażona jest infrastruktura naziemna, w tym obiekty budowlane, sieci elektroenergetyczne, lotniska, farmy wiatrowe, a także rozległe obszary leśne. W samych Stanach Zjednoczonych pioruny inicjują ok. 16% pożarów lasów. Jednocześnie odpowiadają aż za 56% strat obszarowych.

Szacuje się, że każdy samolot rejsowy doświadcza bezpośredniego oddziaływania piorunowego średnio 1-2 razy w roku, przy czym istnieją lotniska, gdzie wyładowania atmosferyczne obserwowane są nawet średnio co 30 minut. Ponadto w samych Stanach Zjednoczonych roczne koszty zniszczeń infrastruktury elektrowni wiatrowych spowodowanych przez pioruny stanowią ponad 100 mln dolarów. W tym straty związane z uszkodzeniem łopat turbin stanowią ok. 60% wszystkich uszkodzeń.

Najnowsze statystyki wskazują, że 2024 r. był najcieplejszy w historii. Przyczyniło się to do wzrostu aktywności burzowej, która zwiększyła się w niektórych obszarach na kuli ziemskiej nawet o 100 godzin burzowych w ciągu roku w porównaniu ze średnią z ośmiu ostatnich lat. Badanie bezpośrednich i pośrednich efektów oddziaływań wyładowań atmosferycznych stanowi więc istotny element w kontekście prewencji i ochrony przeciwko szkodliwym skutkom groźnych zjawisk atmosferycznych.

Ośrodek Badań Piorunowych Politechniki Rzeszowskiej

Dr hab. inż. Grzegorz Masłowski, prof. PRz, dr inż. Grzegorz Karnas i dr inż. Kamil Filik prowadzą wieloletnią współpracę z kilkoma krajowymi i międzynarodowymi ośrodkami badań wyładowań atmosferycznych, w tym z International Center for Lightning Research and Testing należącym do University of Florida w Gainesville oraz Instytutem Geofizyki Polskiej Akademii Nauk. Ośrodek Badań Piorunowych Politechniki Rzeszowskiej (Lightning Research Center, LRC) składa się z trzech głównych laboratoriów: Laboratorium Oddziaływań Piorunowych, Laboratorium Rejestracji Wyładowań Atmosferycznych oraz Laboratorium Odporności Awioniki na Wyładowania Atmosferyczne.

Laboratorium Oddziaływań Piorunowych

W Laboratorium Oddziaływań Piorunowych naukowcy zajmują się badaniem bezpośrednich skutków oddziaływania pioruna na urządzenia, materiały konstrukcyjne i budynki. Jest ono wyposażone w kompletny zestaw generatorów wysokiego napięcia, pozwalających m.in. na symulację krótkotrwałych i długotrwałych udarów prądowych charakterystycznych dla wyładowania atmosferycznego. Uzyskiwane wyniki badań stanowią wkład w obecny stan wiedzy z zakresu oddziaływań piorunowych i mogą być wykorzystywane podczas opracowywania nowoczesnych rozwiązań systemów odgromowych i przepięciowych, cechujących się wyższą efektywnością i niezawodnością. Przekłada się to na zwiększenie poziomu bezpieczeństwa ludzi przebywających w chronionych obiektach oraz mienia w postaci m.in. strategicznych systemów elektrycznych i elektroenergetycznych. Wpływa także na redukcję strat oraz kosztów powstałych w wyniku zniszczenia oraz uniemożliwienia prawidłowego funkcjonowania tych systemów.

Badania przewodzących materiałów kompozytowych dla lotnictwa

Najnowsze badania prowadzone w Laboratorium Oddziaływań Piorunowych skupiają się na testowaniu i rozwoju nowo opracowanych materiałów polimerowych z zatopionymi wewnątrz taśmami z włókien węglowych zwanych kompozytami. Kompozyty mają duże znaczenie m.in. dla przemysłu lotniczego z uwagi na swoją niewielką wagę oraz lepsze własności mechaniczne w porównaniu z cięższymi materiałami metalowymi. Są więc coraz częściej wykorzystywane do budowy statków powietrznych, w tym głównie samolotów oraz dronów. Uzyskuje się w ten sposób większą zdolność transportową, zmniejszenie zużycia paliwa, redukcję kosztów i emisji szkodliwych substancji do środowiska. Ograniczeniem są jednak gorsze w porównaniu z metalami własności elektryczne takich materiałów. Dobra przewodność prądu elektrycznego jest niezwykle istotna szczególnie w kontekście odporności na zjawiska towarzyszące wyładowaniom atmosferycznym. Dlatego podejmowane są próby modyfikacji struktury materiałów kompozytowych, aby zapewnić im wymaganą przewodność elektryczną przy jednoczesnym zachowaniu pożądanych własności mechanicznych i niewielkiej wagi.

We współpracy z Katedrą Kompozytów Polimerowych na Wydziale Chemicznym PRz opracowano i opatentowano sposób wytwarzania oraz badania laminatów kompozytowych cechujących się zwiększoną przewodnością elektryczną. Osiągnięto to w wyniku wprowadzenia specjalnych dodatków przewodzących do składu żywicy. Próbki kompozytów poddano badaniom nieniszczącym przy niskim napięciu, określając ich rezystywność elektryczną, oraz testom niszczącym, rejestrując przy tym sposób oraz kierunkowość rozpływu prądu piorunowego o charakterze krótkotrwałym i długotrwałym, a także spadek napięcia wzdłuż badanego materiału. Zaproponowano również, wyznaczoną na podstawie wcześniejszych pomiarów napięcia i prądu, tzw. rezystancję udarową jako wygodny wskaźnik do szybkiego szacowania użyteczności badanego materiału kompozytowego w zastosowaniach, gdzie można spodziewać się oddziaływania udarów piorunowych. Ochroną patentową objęto też zaprojektowany układ pomiarowy oraz metodę badań własności elektrycznych kompozytów i ich odporności na działanie prądu piorunowego.

Planowane są dalsze badania uwzględniające efekt przemieszczania się kanału piorunowego po powierzchni obracających się łopat turbin wiatrowych, a także badanie innych wielkości nieelektrycznych, takich jak zmiany temperatury czy wystąpienie wibracji i naprężeń mechanicznych generowanych przepływem prądu piorunowego. Ze względu na stale rosnące zainteresowanie technologią kompozytową zainicjowano współpracę w gronie międzynarodowych partnerów, m.in. z Chorwacji i Szwajcarii. W tym obszarze przewiduje się wykorzystanie infrastruktury laboratorium do badań wpływu udarów piorunowych na instalacje oraz systemy elektryczne turbin wiatrowych.

Stacja Rejestracji Wyładowań Atmosferycznych

Stacja Rejestracji Wyładowań Atmosferycznych Politechniki Rzeszowskiej koordynowana przez dr. inż. Grzegorza Karnasa to laboratorium zajmujące się badaniem zjawisk piorunowych. Laboratorium to powstawało na wzór stacji działającej na Florydzie i ostatecznie zostało uruchomione w 2013 r., a jego funkcjonalność jest cały czas sukcesywnie rozszerzana. Pierwotną ideą utworzenia takiej stacji badawczej była rejestracja zaburzeń elektromagnetycznych generowanych przez wyładowania atmosferyczne oraz równoczesna wideorejestracja procesu rozwoju kanału piorunowego z wykorzystaniem szybkich kamer wideo. Stacja rejestracji obejmuje swoim zasięgiem obszar o promieniu ok. 50 km wokół Rzeszowa. W sezonie burzowym rejestracja odbywa się w ciągłym, automatycznym trybie i zapisuje incydenty piorunowe z dokładnością na poziomie 1μs. Podstawowa konfiguracja anten i szybkiej kamery umożliwia akwizycję piorunowego pola elektrycznego oraz magnetycznego oraz obrazu z prędkością kilku do kilkudziesięciu tysięcy klatek na sekundę.

Czytaj także: Otwarcie Laboratorium Metrologii Politechniki Rzeszowskiej