Badania wyładowań atmosferycznych i ich oddziaływań
Naukowcy dr inż. Grzegorz Karnas i dr inż. Kamil Filik z Katedry Elektrotechniki i Podstaw Informatyki na Wydziale Elektrotechniki i Informatyki 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 takich zagadnieniach, jak modelowanie i symulacje 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 badań 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 rejestrowane jest ok. 1,5 miliarda 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. Jedynie w samych Stanach Zjednoczonych pioruny inicjują około 16% pożarów lasów i 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 milionów dolarów, w tym straty związane z uszkodzeniem łopat turbin spowodowane przez pioruny stanowią około 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
Naukowcy 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 (ICLRT) należącym do University of Florida w Gainesville oraz Instytutem Geofizyki Polskiej Akademii Nauk. Ośrodek Badań Piorunowych Politechniki Rzeszowskiej (ang. Lightning Research Center, LRC) składa się z trzech głównych laboratoriów: Laboratorium Oddziaływań Piorunowych, Laboratorium Rejestracji Wyładowań Atmosferycznych, 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 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 też 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 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, i spadek napięcia wzdłuż badanego materiału. Zaproponowano także, 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 również 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 około 50 km wokół Rzeszowa. W sezonie burzowym rejestracja odbywa się w ciągłym i 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.
Głównym celem funkcjonowania stacji jest prowadzenie badań podstawowych z zakresu modelowania zjawisk piorunowych i oddziaływania impulsu elektromagnetycznego. Prace naukowe mają charakter teoretyczny obejmujący fizykę wyładowania atmosferycznego. Prowadzone są również badania stosowane związane z wdrażaniem nowych algorytmów stosowanych w systemach lokalizacji wyładowań atmosferycznych (LLS). W ramach dotychczasowych badań opracowano m.in. algorytm obliczania kształtu oraz parametrów prądu płynącego w kanale piorunowym. Systemy LLS obecnie pozwalają jedynie na raportowanie wartości szczytowej prądu piorunowego. Znajomość wyłącznie wartości szczytowej prądu piorunowego nie pozwala w pełni określić stopnia zagrożenia dla urządzeń i systemów elektrycznych i elektronicznych w przypadku konkretnego incydentu burzowego. Najbardziej niebezpieczne wyładowania atmosferyczne nie zawsze muszą posiadać bardzo dużą wartość szczytową prądu. Ważniejsza jest często energia wyzwalana w trakcie impulsu, a tę można oszacować wiarygodnie jedynie opierając się na pełnym kształcie prądu płynącego w kanale piorunowym. W praktyce nie jest możliwy bezpośredni pomiar prądu piorunowego, dlatego też algorytmy proponowane na podstawie rejestracji pola elektromagnetycznego stanowią znacznie bardziej optymalne rozwiązanie pod względem efektywności detekcji wyładowań, umożliwiając ciągły i kompleksowy monitoring strefy chronionej (np. lotniska, farmy wiatrowej czy infrastruktury kolejowej).
Inny aspekt badań realizowanych na stacji dotyczy ochrony odgromowej. Powszechnie przyjmuje się, że jedynie około 25% wyładowań atmosferycznych dociera do powierzchni ziemi. Pozostałe to tzw. wyładowania wewnątrzchmurowe. Tak duża dysproporcja stanowi istotny problem w ocenie ryzyka piorunowego dla obiektów naziemnych. Większość obecnych systemów lokalizacji wyładowań atmosferycznych nie posiada bądź posiada niewielką efektywność wykrywania wyładowań w chmurze burzowej. W ramach działalności Stacji Rejestracji Wyładowań Atmosferycznych PRz prowadzona jest analiza mająca na celu identyfikację wyładowań typu doziemnego oraz wewnątrzchmurowego z wykorzystaniem sztucznej inteligencji. Znaczący potencjał tego typu badań został potwierdzony przez dotychczas przeprowadzone analizy, które wykazały efektywność identyfikacji typu wyładowania atmosferycznego znacznie powyżej 90% dla kilku zaproponowanych struktur sieci neuronowych.
Ponadto dzięki środkom z grantu NCN w ostatnim czasie opracowano specjalny układ optyczny dedykowany dla szybkiej kamery wideo, który umożliwia rejestrację dookólną zjawisk piorunowych. Zaprojektowany układ zwierciadeł dookólnych został wykonany we współpracy z firmami z branży optycznej oraz obrabiarek sterowanych numerycznie. Opracowano również układ kalibracji całego systemu optycznego, umożliwiający jego implementację w innych systemach badawczych oraz w przemyśle. Stworzone rozwiązanie znacząco zwiększa efektywność rejestracji optycznej wyładowań atmosferycznych. Obecnie jest to jeden z trendów rozwojowych systemów lokalizacji wyładowań atmosferycznych na świecie. Przewaga technologiczna optycznych metod rejestracji polega m.in. na możliwości wykrywania tzw. składowej długotrwałej prądu piorunowego. Prąd długotrwały jest to typ prądu piorunowego odpowiadający za najbardziej niszczące efekty wyładowań atmosferycznych, głównie pożary. Stworzony układ obserwacji dookólnej może znaleźć również zastosowanie w systemach ostrzegania monitorujących rozległe obszary leśne. Technologia optyczna to jedna z najbardziej efektywnych metod pozwalających na wczesne wykrycie oraz lokalizację źródła pożaru, co pozwala zminimalizować szkody, jak również zmniejszyć emisję szkodliwego CO2, istotnie wpływającą na globalne ocieplenie klimatu.
W ramach działalności badawczej od wielu lat prowadzona jest ścisła współpraca z Uniwersytetem Florydzkim i Instytutem Geofizyki Polskiej Akademii Nauk. Dane zebrane niezależnie w obszarze Rzeszowa i Warszawy stanowią unikatowe źródło danych piorunowych dla obszaru Polski, a także Europy Środkowo-Wschodniej. Współpraca z IGF PAN została podjęta z głównie uwagi na niewystarczającą ilość tego typu danych dostępnych dla klimatu umiarkowanego. Aktualne obszerne studia literaturowe są dostępne głównie dla rejonów gorącego klimatu równikowego (np. Floryda, Malezja), jak również chłodnego klimatu kontynentalnego (np. Szwecja). Jest to również niezwykle istotne w kontekście postępujących zmian klimatycznych, skutkujących znaczącym nasileniem niebezpiecznych zjawisk pogodowych, głównie: huraganów, tornad, burz gradowych czy opadów nawalnych będących przyczyną tzw. powodzi błyskawicznych. Naukowo potwierdzono korelację pomiędzy występowaniem tych zjawisk oraz aktywnością burzową. Lepsze zrozumienie natury wyładowań atmosferycznych pozwala zatem na lepszą detekcję oraz wyprzedzający monitoring zjawisk burzowych.
Laboratorium Odporności Awioniki na Wyładowania Atmosferyczne
Szacuje się, że średnio raz na 1000–2000 godzin lotu (przeciętnie raz w roku) dochodzi do bezpośredniego wyładowania atmosferycznego z udziałem często kursujących samolotów. Tego typu zdarzenie może doprowadzić do bezpośrednich uszkodzeń elementów konstrukcyjnych statku powietrznego. Równie niebezpieczne są tzw. skutki pośrednie oddziaływania pioruna. Odnoszą się one do elektromagnetycznych zaburzeń indukowanych w obwodach elektrycznych instalacji pokładowych samolotu w wyniku oddziaływania impulsu elektromagnetycznego od pobliskich wyładowań atmosferycznych. Przepięcia indukowane są przyczyną zakłóceń pracy systemów pokładowych i niejednokrotnie mogą prowadzić do ich trwałych uszkodzeń. Na skalę tych efektów wpływają głównie parametry i typ samego wyładowania atmosferycznego, własności elektryczne materiałów konstrukcyjnych płatowca oraz konfiguracja zainstalowanych urządzeń awioniki. Wszystkie te czynniki obniżają poziom bezpieczeństwa transportu lotniczego i generują koszty związane z awariami i procedurami serwisowymi. Ochrona przed bezpośrednimi i pośrednimi efektami oddziaływań piorunowych staje się w ostatnim czasie coraz istotniejsza z uwagi na sukcesywnie postępującą miniaturyzację podzespołów elektronicznych statków lotniczych i postępujące zmiany klimatyczne wpływające na zwiększenie aktywności burzowej w wielu miejscach kuli ziemskiej.
Stanowisko badawcze w Laboratorium Odporności Awioniki na Wyładowania Atmosferyczne, którego opiekunem jest dr inż. Kamil Filik, wyposażone jest w kompletny system generatorów udarów napięciowych i prądowych. Pozwala on na badanie wybranych urządzeń oraz złożonych systemów pokładowych samolotów w kontekście odporności na efekty pośredniego oddziaływania wyładowań atmosferycznych. Eksploatowany zestaw generatorów impulsów piorunowych pozwala testować urządzenia oraz wiązki kablowe różnorodnymi typami zaburzeń występującymi w chmurach burzowych. Symulowane zaburzenia spełniają wymagania restrykcyjnych norm lotniczych oraz wojskowych, w tym RTCA/DO-160.
Równocześnie z testami udarowymi prowadzone są badania symulacyjne, mające na celu lepsze zrozumienie zjawisk zachodzących podczas rozpływu prądu piorunowego. Do analizy przepięć atmosferycznych pośrednich w układach elektronicznych statków powietrznych stosuje się również modelowanie i symulacje komputerowe prowadzone w różnych środowiskach obliczeniowych, m.in. w oprogramowaniu Matlab, CST Studio Suite, LTspice. Opracowane modele pozwalają przewidzieć zachowanie instalacji pokładowej statku powietrznego w obecności rzeczywistych zaburzeń atmosferycznych, co umożliwia zaprojektowanie adekwatnych środków ochrony przepięciowej już na etapie jej projektowania.
Podjęta problematyka badawcza obejmująca zagadnienia wpływu wyładowań piorunowych i impulsowych zaburzeń elektromagnetycznych pochodzenia atmosferycznego na układy elektryczne i elektroniczne pracujące na pokładach statków powietrznych wpisuje się w aktualne obszary prowadzonych na świecie intensywnych badań odziaływań atmosferycznych na statki powietrzne. Podjęcie jej uzasadnione jest stanem aktualnej wiedzy, a w szczególności potrzebą dokładnego poznania wpływu udarów wielokrotnych, jakie występują w rzeczywistym wyładowaniu piorunowym, jak również oddziaływania szybkich zmian pola elektromagnetycznego generowanego przez wyładowania w chmurach na zachowanie się systemów elektrycznych i elektronicznych na pokładzie statków powietrznych.
Wyniki prowadzonych badań wskazują, że poziom i charakter obserwowanych przepięć silnie zależą od rodzaju i poziomu zaburzeń piorunowych wprowadzanych do układów awioniki oraz stanu pracy i konfiguracji układu awioniki. Uzyskiwane rezultaty prac badawczych stanowią podstawę do oceny obecnie stosowanych rozwiązań w obszarze ochrony odgromowej i przepięciowej statków powietrznych. Mogą być użyteczne przy opracowaniu nowych optymalnych koncepcji opierających się na odpowiednim doborze ilości i rodzaju zastosowanych środków ochrony odgromowej i przepięciowej ograniczających powstanie i propagację zaburzeń piorunowych w instalacjach wewnętrznych samolotów.
Wdrażanie nowych rozwiązań ochrony odgromowej statków powietrznych upraszcza proces wytwarzania aparatury awionicznej, pozwalając na jej dalszą miniaturyzację oraz ograniczenie liczby komponentów. W konsekwencji wpływa to nie tylko na koszty produkcyjne, ale również na poprawę bezpieczeństwa pasażerów podczas lotu.
