Notícia

Eletricidade Moderna

Foguetes e laser para induzir descargas atmosféricas

Publicado em 01 fevereiro 2000

Por Guilherme A. D. Dias do Departamento de Engenharia Elétrica da PUC-RS
Conhecer melhor o fenômeno das descargas atmosféricas e avaliara eficácia de um sistema de proteção. Este é o objetivo da campanha brasileira para indução de descargas naturais a partir de lançamentos de foguetes em campos de prova, iniciada em janeiro. Realizado com sucesso em vários outros países, o trabalho no Brasil está em fase inicial, sendo desenvolvido no laboratório a céu aberto do Inpe em Cachoeira Paulista, SP. Com o objetivo de aprofundar os estudos sobre os parâmetros elétricos de descargas atmosféricas e avaliar sistemas de proteção, um grupo de pesquisadores da Unicamp - Universidade Estadual de Campinas, do Inpe Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais e da Indelec do Brasil, fabricante de sistemas de proteção, iniciaram em 1998 a concepção de uma campanha para aplicação do método de indução de descargas atmosféricas no Brasil, que já vem sendo utilizado em vários países. O cientista André Eybert-Berard, do CEA - Commissariat a L"Energie Atomique (Centro de Pesquisas de Energia Atômica da França), desenvolveu o método de criação de raios naturais a partir do lançamento de foguetes em direção às nuvens de tempestade. Com esta tecnologia, foram realizadas várias campanhas de lançamento de foguetes em campos de prova. O Brasil é o quarto país do mundo a sediar os testes com foguetes, que estão sendo realizados no Centro Internacional de Pesquisas em Descargas Atmosféricas, conhecido como laboratório a céu aberto, do Inpe, localizado na cidade de Cachoeira Paulista. SP. Histórico Sabe-se que os sistemas de proteção contra descargas atmosféricas apresentam, muitas vezes, custos elevados e dificuldades de instalação, entre outros problemas. Dessa forma, em 1989, o engenheiro Hélio Luís Blauth, da Indelec, buscou uma alternativa aos sistemas tradicionais, a partir de informações dos cientistas franceses Bernard Lambin, Louis Lefort e Pascal Boilloz. Estes desenvolveram em 1984 um captor de maior alcance, que conecta a descarga atmosférica de forma mais rápida que os outros sistemas existentes, princípio chamado de ESE -Early Streamer Emission, ou "emissão antecipada da descarga líder". A partir de então, a indelec, utilizando tal princípio, apresentou ao mercado um novo captor. O equipamento foi submetido a vários ensaios em laboratórios de alta tensão da França e de outros países da Europa, onde foram normalizados. Porém, os ensaios não foram considerados suficientemente satisfatórios em países fora da França e Europa, para simular as verdadeiras condições em que ocorrem raios naturais Assim, os novos captores deveriam também ser testados com raios verdadeiros. Como fazê-lo? Desde então, a empresa e órgãos de pesquisa e universidades de vários países, inclusive do Brasil, vêm criando centros de pesquisas a céu aberto para testar sistemas de proteção. Nesses centros também são realizadas análises científicas a respeito das tempestades, como medições de campo elétrico local, de características das descargas atmosféricas, etc. Para permitir que os resultados de tais pesquisas científicas sejam repassados publicamente, foram feitos convites a profissionais participantes da elaboração de normas técnicas - no caso do Brasil, foram convidados representantes da ABNT - Associação Brasileira de Normas Técnicas - para que acompanhassem os testes. Com duração prevista até 2005, o projeto brasileiro é dividido em várias fases, cuja execução acontecerá no período do verão, estação de grande atividade atmosférica no país. Na primeira fase, planejada para ocorrer entre dezembro de 1999 e março de 2000, está sendo empregada a técnica de induzir descargas atmosféricas pelo lançamento de pequenos foguetes. Em fases subseqüentes, será adotada a técnica de induzir descargas atmosféricas por laser. EQUIPE TÉCNICA A equipe de pesquisadores estrangeiros e brasileiros que participam da campanha brasileira é formada pelos cientistas André Eybert-Berard, do CEA: Pascal Boilloz, da Indelec França, responsável pelos sistemas eletrônicos franceses; Cari Potvain, da empresa canadense Hydro-Quebec, responsável pela monitoração de descargas com o emprego de câmeras de vídeo; Serge Chauzy, do Laboratorie d'Aerologie da Universidade Paul Sabatier de Toulouse, na França, consultor do projeto: José Pissolato Filho, da Unicamp. Responsável, pela monitoração de longa duração da descarga; Osmar Pinto Júnior, do Inpe, gerente da campanha e responsável por medições próximas ao laboratório a céu aberto; Guilherme A. D. Dias da PUC-RS, pesquisador convidado: Marcus V. F. Ferraz, técnico do laboratório de alta tensão da Unicamp, que participa da calibrarão dos equipamentos: e Hélio Luís Blauth, pesquisador de sistemas de proteção contra descargas da Indelec do Brasil. A campanha contou com o apoio financeiro da Indelec, lnpe, Unicamp, Fapesp Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo. Hydro-Quebec e Universidade de Toulouse. Nos próximos anos, está persista a participação de outros institutos e universidades. A CAMPANHA BRASILEIRA O projeto tem a coordenação geral de André Eybert-Berard, diretor de lançamentos, criador do método de captura de raios naturais, que consiste em mandar foguetes em direção às nuvens carregadas, como já mencionado. Tal foguete leva consigo um fio que pode ser totalmente ou parcialmente condutor. O equipamento de disparo fica sob o controle do diretor de lançamentos, o qual pode decidir ao longo do tempo por uma operarão de disparo da descarga atmosférica, de acordo com a segurança local e do espaço aéreo do lnpe. É também responsável pela escolha do foguete a ser utilizado - o tipo LRS-A é o sistema normalmente adotado no local, com 100 metros de cabo kev lar seguido por 700 metros de cabo de cobre, LRS-A significa Lightning Rocket System Altitude. Serão empregados também foguetes do tipo LRS-G - Lightning Rocket System Grouind, com 700 metros de cabo de cobre. O primeiro tipo é empregado para produzir uma descarga atmosférica que seja natural a partir dos 100 m de altura, e o segundo tipo conduz a descarga para os sistemas de medição. Serão lançados cerca de 100 foguetes do tipo LRS-A. esperando-se que de 30 a 40 deles consigam provocar descargas elétricas em um ambiente sobre o qual os cientistas têm um certo grau de controle. INDELEC A Indelec será responsável: - pela operação do lançador de foguetes: - pela monitoração da atividade atmosférica local (medidores de campo elétrico); - pelo ensaio dos diferentes sistemas de proteção contra descargas atmosféricas; - pelas medições das correntes da descarga líder e da dinâmica do campo elétrico; - pelo registro do número de impactos A primeira fase da campanha terá duração até o final de março de 2000 com o desenvolvimento das atividades mencionadas a seguir. INPE Ao lnpe caberá: - o monitoramento da atividade atmosférica geral, empregando o sistema LPATS - Lightning Positoning and Tracking System e o registro de imagens de satélite; - medição da corrente, dos campos elétrico e o registro das imagens fotográficas e de vídeo; e - a obtenção da liberação aérea de 2000 metros sobre o laboratório a céu aberto. - Foguete LRS-A com cabo kevlar (100 m) e fio de cobre (700 m), utilizados os lançamentos - por descarga produzida no laboratório a céu aberto: e - por registros de imagens de vídeo. UNICAMP À Unicamp interessa medir a corrente da descarga atmosférica. HYDRO-QUEBEC A participação da Hydro-Quebec no projeto envolve: - medições da corrente da descarga com o emprego de elos magnéticos: e - operação de sistemas de registro das descargas atmosféricas com câmeras de vídeo de alta velocidade (até 8 mil fotogramas por segundo). EQUIPAMENTOS A figura 1 apresenta uma visão geral dos principais sistemas de medição montados no laboratório a céu aberto para induzir a formação de descargas atmosféricas. Os equipamentos fornecidos pela Indelec insulados no laboratório são três medidores de campo elétrico (field milt) para registro remoto; seis transdutores de corrente (shuni) para registro remoto: um contador de descargas: duas câmeras de filmagem das descargas, de uso externo, acionadas automaticamente: um sistema de comprimido para acionamento remoto do medidores: e um sistema de fibra óptica para transmissão dos sinais de comando e leituras dos registros. A Unicamp disponibilizou para os testes um gerador de corrente TUR para calibração de todos os equipamentos do campo e um osciloscópio da marca Tektromix. Os equipamentos da Hydro-Quebec instalados a 800 metros do local e no próprio campo são: duas câmeras de filmagem das descargas de uso externo, acamadas automaticamente, localizadas dentro e fora do campo: uma câmera rápida de filmagem das descargas, de uso interno, localizada no campo: e oito cartões de registro da corrente de pico. Finalmente, os equipamentos do Inpe instalados a 800 metros e no próprio local são os seguintes: três medidores de campo elétrico (field milt) da marca Clohul. localizados fora do campo: um sistema de acompanhamento de tempestade (LPATS), também fora do campo: um sistema de monitoramento climático via satélite, fora do campo: um detector de campo magnético bidirecional, dentro do campo: uma câmera de filmagem, fora do campo: e uma câmera de filmagem, em conjunto com uma da Rede Globo de televisão, dentro do campo. O LABORATÓRIO A CÉU ABERTO A implantação do laboratório a céu aberto contou com a participação de todos os membros da equipe técnica. A construção da proteção contra descargas atmosféricas diretas da sala de controle de lançamento e dos sistemas de aterramento seguiu orientações dos cientistas franceses. A descrição física esquemática do laboratório a céu aberto está apresentada na figura 2, cuja legenda, apresentada adiante, indica a localização relativa de várias estruturas, como a sala de controle de lançamento, a base de lançamento e estrutura de captação da descarga, e á meras ativadas pela descarga atmosférica e medidores de campo elétrico e magnético. A numeração apresentada na figura 2 corresponde aos seguintes itens: 1) geradores trifásicos de 10 KW/220 V: 2) medidor de campo elétrico principal (Moulin Tir): 3) câmera ativada pela descarga atmosférica: 4) poste do sistema de proteção (com a bandeira da França): 5) poste do sistema de proteção (com a bandeira do Brasil): 6) poste do sistema de proteção (com a bandeira do Canadá e da província de Quebec): 7) centro de controle de lançamento (contêiner metálico de 12 x 3 metros): 8) medidor de campo elétrico secundário (Field milt) 9) medidor local (Inpe) de campo magnético (retirado): 10) estrada de acesso: 11) plataforma dos tubos de lançamento: 12) plataforma elevada (captores ESE) Franklin e medidor da variação do campo elétrico): 13) sensor capacitivo de campo elétrico (medidor da variação do campo elétrico): 14) captor ESE: 15 haste Franklin: 17) câmera ativada pela descarga atmosférica: 18) árvore (8 a 10 m de altura) 19) placa com informações do campo; 20) câmera ativada pela descarga atmosférica; e 21) marco geodésico. Os aspectos de segurança pessoal e dos equipamentos foram considerados prioritários. Aqueles definidos internamente ao sistema são todos os acionados de forma autônoma ou por ar comprimido; os de medição com fontes de alimentação própria: os sinais de medidas enviados por fibras ópticas: os sistemas eletroeletrônicos sensíveis blindados metalicamente: além dos próprios participantes dos testes, localizados em prédio metálico ou em prédios distantes. Foram definidos ainda aspectos de segurança através de regras escritas, para situações de tempestade, envolvendo impedimento físico de acesso de pessoal ao laboratório a céu aberto, de liberação do espaço aéreo e permanência na sala de controle de lançamentos. No campo existe, ainda, uma rotina diária de verificações que deve ser realizada em todos os sistemas e equipamentos existentes na sala de controle e na plataforma de lançamento do centro internacional de captação de raios. Para permitir que todos os sistemas estejam disponíveis 24 horas por dia, pela manhã há inspeção visual e verificação: - do sistema de disparo dos 12 foguetes, através de simulação; - da troca e recarga dos sistemas de alimentação dos equipamentos; - de vazamentos de ar; - das interligações via fibras ópticas; - da quantidade de combustível dos geradores; e - do medidor de campo elétrico (field mill), através da produção de eletricidade estática. CALIBRAÇÃO DO SISTEMA Para garantir os valores obtidos, foi realizada a calibração do sistema de medição utilizando os equipamentos fornecidos pela Unicamp. O método de simulação da descarga atmosférica foi o usual, através da descarga de um capacitor (50 kV - 2 uF) em um bloco de resistor não-linear, buscando-se uma forma de onda de 4 x 10 us. O capacitor é carregado por uma fonte de alimentação em baixa tensão, composta por um transformador de potencial, cuja alta tensão está em série com um diodo retificador de 270 kV. As correntes de pico utilizadas para calibração dos sistemas registraram desde centenas de A até dezenas de kA, sendo avaliada adicionalmente a linearidade dos sistemas de medição. PRIMEIROS RESULTADOS Apesar da primeira campanha de indução de descargas atmosféricas ainda estar em fase de conhecimento do local, já existem resultados que permitem comentar os melhores parâmetros para produzir a descarga, entre outros aspectos. Mesmo o laboratório não estando totalmente em operação (ainda em fase de implantação), no dia 25 de janeiro de 2000, às 22h47, houve alguma atividade atmosférica na região de Cachoeira Paulista. Uma das câmeras ativadas pela descarga atmosférica (intensidade luminosa da descarga e intensidade de campo magnético) captou a imagem de um possível líder ascendente sendo emitido por um dos captores ESE. Outras câmeras, inclusive a de alta velocidade, realizaram imagens de descargas naturais produzidas pela tempestade. Na noite de 5 de fevereiro de 2000, durante uma tempestade, com o laboratório já implantado, foram realizadas quatro tentativas de disparos de foguetes. Uma delas produziu uma descarga artificial registrada pelo sistema de medição de campo elétrico e por câmeras de vídeo. Infelizmente, as imagens e os resultados das medições só estarão disponíveis ao público após a análise - que será realizada pelos cientistas no final da primeira campanha.