Come costruire un rivelatore di fulmini

Un rivelatore di fulmini è un sensore in grado di rilevare un fulmine nel momento del lampo, dunque molto prima del tuono, che giunge spesso parecchi secondi dopo. Vedremo come realizzare dei semplici rivelatori di fulmini molto sensibili in grado di svolgere i compiti più disparati: far accendere led o lampadine, far suonare cicalini, registrare i fulmini su un grafico, etc. In questo modo avremo un allarme precoce per temporali o tempeste che si stanno avvicinando molto prima che siano vicine. Una proposta per la realizzazione di un originale radar per i fulmini conclude in bellezza l’articolo.

La luce associata a un fulmine, essendo un’onda elettromagnetica, viaggia ovviamente alla velocità della luce, cioè a 300.000 km/s. Il suono invece, viaggi a soli 331 metri al secondo a 0 °C e di 344 m/s (pari a 1237 km/h) a 20 °C. Dunque, quando vediamo il lampo, il fulmine è avvenuto solo pochi microsecondi prima, mentre il tuono segue con un ritardo legato alla distanza del fulmine.

In pratica, per stimare la distanza del fulmine basta contare mentalmente i secondi che intercorrono tra il lampo ed il tuono (i più tecnologici e precisi possono farlo con un cronometro). Dato che il suono si propaga nell’aria alla velocità di un chilometro ogni 3 secondi, per conoscere la distanza del fulmine in km basta dividere i secondi trascorsi per 3. Dunque, se trascorrono 9 secondi, il fulmine è a circa 3 km.

Pertanto, un rivelatore di fulmini può essere molto utile per prepararsi per tempo all’avvicinarsi di una tempesta, in modo da poter mettere in atto le opportune precauzioni. Il circuito di rivelatore di fulmini autocostruito è di solito un rilevatore di elettricità statica molto sensibile. Un’antenna formata da uno spezzone di filo rileva le tempeste in arrivo entro un raggio di alcuni chilometri. In alternativa, esistono dei sensori che rilevano i fulmini determinandone la distanza (li trovi qui).

La rivelazione dei fulmini: un’introduzione

Vi sono molti possibili circuiti per i rilevatori di fulmini. Tipicamente, però, i rivelatori sono ricevitori radio a conversione diretta AM (Modulazione in Ampiezza) sintonizzati per ricevere gli impulsi statici – in pratica, quello che a un altoparlante percepiremmo come un crepitìo – su una frequenza di 300 Kilohertz (KHz), o vicino ad essa. Questa, infatti, è una buona frequenza per ricevere energia dai fulmini.

Una vecchia radio a sintonia manuale in banda AM è un rudimentale rivelatore di fulmini.

La ragione è che si tratta di una frequenza più alta delle onde lunghe (spesso indicata con l’acronimo LW e delimitata tra 148,5 e 283,5 kHz e con pochissime stazioni trasmittenti in Europa e nei Paesi sviluppati) e più bassa delle onde medie (in cui operano le stazioni radio AM commerciali, infatti, le cui frequenze sono comprese fra i 535 e i 1605 kHz, separate fra loro di 10 kHz).

Perciò, la frequenza di 300 kHz non è coperta da trasmissioni radio AM, le quali, coinvolgendo le radiofrequenze più basse, raggiungono distanze notevoli. Fra l’altro, l’unica stazione trasmittente in Italia operante sulle onde lunghe era a Caltanissetta, ed è stata utilizzata dalla Rai sulla frequenza di 189 kHz fino a quando questo trasmettitore è stato spento nell’agosto 2004.

Le bande delle trasmissioni radiofoniche e le relative estensioni in frequenza.

Ora, quando un fulmine colpisce, un’enorme quantità di energia viene rilasciata in diverse forme. Le più ovvie sono luce e suono, essendo quest’ultimo un sottoprodotto della velocità di aumento immediato della temperatura delle particelle che circondano il fulmine, che a sua volta causa il suono. Ma non è tutto. I fulmini emettono grandi quantità di radiazioni elettromagnetiche nelle gamme VLF (Very Low Frequency) e LF (Low Frequency), in genere comprese tra 3kHz e 300kHz.

Perciò, quando si verifica un fulmine, viene generato un “impulso” di onde radio su un ampio spettro di frequenze radio. I lampi che anticipano i tuoni sono infatti, fondamentalmente, enormi archi elettrici e quindi generano quantità enormi di segnali RF nell’etere ogni volta che questi lampeggiano nel cielo. Tale raffica di elettricità statica può essere facilmente ascoltata sui comuni apparecchi radioricevitori di trasmissioni nazionali sintonizzati sulla banda di trasmissione AM.

La radio, infatti, acquisisce l’impulso statico (burst) e lo amplifica in misura tale che può venire utilizzato per “guidare” un certo numero di possibili opzioni: ad esempio, per far lampeggiare una lampada o far suonare un cicalino. Pertanto, se nell’atmosfera è presente un fulmine, un tale rilevatore fornisce un avvertimento in anticipo di una tempesta in arrivo. Man mano che essa si avvicina, la frequenza degli impulsi aumenta, quindi è possibile dire se si sta avvicinando o si sta allontanando.

Un semplice rivelatore elettronico

Dunque, potete usare l’uscita di una radio regolata sull’estremità inferiore della banda AM per comandare una lampadina (o led) o un buzzer per l’avvertimento acustico, o per muovere l’ago di un voltmetro. Se poi volete osservare qualsiasi aumento nel numero, o intensità, delle tempeste nel tempo, potete progettare un “contatore di impulsi” o inviare il segnale a un computer per tracciare gli impulsi su un grafico.

Riassunto schematico dei vari progetti realizzabili ad es. con l’aiuto di Arduino, il microprocessore programmabile che potete trovare a buon prezzo qui.

In pratica, la radio AM sintonizzata sull’estremità inferiore della banda trasmittente rileva le scariche elettriche come statiche. Questo rappresenta una tensione che può venire utilizzata ad es. per caricare un condensatore. La tensione sul condensatore può quindi essere letta da un “chip” utilizzato per accendere singoli LED. Si possono usare 3 LED verdi, 3 gialli e 3 rossi: quelli rossi indicano una tempesta vicina o forte. Puoi giocare con la sensibilità regolando il controllo del volume sulla radio.

Se non volete usare una radio AM, potete provare a realizzare il seguente circuito per comandare un led e, eventualmente, tramite un accoppiatore ottico che potete aggiungervi, una lampada di maggiore potenza o altri dispositivi. Il circuito è, fondamentalmente, un amplificatore ad alto guadagno, pertanto potrebbe dare falsi positivi se non viene realizzato con la dovuta perizia.

Schema di un semplice rivelatore di fulmini elettronico.

In pratica, tutte le interconnessioni devono essere quanto più piccole possibile e la basetta su cui viene realizzato deve venire pulita accuratamente con diluente per rimuovere qualsiasi residuo di flussante. Per l’alimentazione usa una batteria a 9 V, poiché se usi un comune adattatore di rete AC/DC vedrai il LED sempre acceso, tale è la sensibilità di questo dispositivo.

L’antenna potrebbe essere un filo flessibile lunga un metro, che rileva tempeste entro un raggio di 3 km. Ma dopo aver costruito il rivelatore, inizialmente non collegare alcun cavo ai terminali dell’antenna. Usa un simulatore di fulmini per testare o dimostrare che l’apparecchio funziona quando non ci sono tempeste nell’area: si tratta di un oscillatore a bassa frequenza e bassa potenza.

Un altro modo per simulare il fulmine è usare un accendigas piezoelettrico, come quelli usati in cucina. Quindi, prendi un accendigas piezoelettrico e fai clic sul dispositivo con il puntale tenuto vicino al punto dell’antenna del circuito. Dovresti verificare che il LED si illumina e lampeggia in risposta a ogni clic dell’accendisigari. Ciò confermerebbe un circuito rivelatore correttamente costruito.

Un rivelatore di fulmini con Arduino

Volendo, potete anche progettare un rilevatore che, ad esempio, viene resettato ogni mattina alle 09:00 e che mantiene una registrazione del numero di impulsi statici rilevati. In questo modo, potrete nel tempo confrontare anche i livelli di “rumore” atmosferico su base annua, ad esempio da una stagione all’altra. Per realizzare questi progetti un po’ più complessi, potete usare Arduino.

Tuttavia, il più semplice rivelatore di fulmini che realizzabile con Arduino è quello illustrato nello schema qui sotto, capace di rilevare i fulmini da circa 10-20 km di distanza. Il circuito richiede pochi componenti: il microprocessore programmabile Arduino Uno, alcune resistenze e dei fili di collegamento (jumper). Con Arduino possiamo catturare frequenze attorno a 7kHz. Il vantaggio nell’uso di tale frequenza per il rilevamento di fulmini è che non vi sono altre particolari emissioni naturali o artificiali.

Lo schema di un semplice rivelatore di fulmini. (fonte: Arduino)

Il circuito ha come antenna un pezzo di filo (in verde), che riceverà le fluttuazioni +V o -V nello spettro elettromagnetico, in particolare attorno ai 7-9kHz. Queste fluttuazioni inducono una piccola tensione nel filo, che possiamo catturare usando i pin analogici di Arduino, i quali leggono le tensioni comprese tra 0 V e 5 V. Tuttavia, le tensioni inferiori a 0 V potrebbero danneggiare l’ingresso analogico.

Ciò creerebbe un piccolo problema, perché le tensioni prodotte nel filo oscillano sotto e sopra 0 V. Per risolverlo, impostiamo la tensione del pin al centro dell’intervallo, a 2,5 V, e ciò viene realizzato utilizzando un piccolo trucco, un divisore di tensione. In tal modo, imposteremo il pin su 2,5 V e le fluttuazioni di tensione avverranno intorno a tale tensione, quindi senza nessun danno o perdita di dati.

Dato che i pin analogici di Arduino Uno possono effettuare solo 9.600 campionamenti al secondo (in grado di catturare onde a 2kHz), il chip può venire configurato per accelerare tale processo di un certo fattore, pur mantenendo una buona risoluzione. Ciò viene fatto tramite un opportuno codice – cioè via software dallo sketch che potete scaricare da questo link e caricare su Arduino.

Il risultato dell’acquisizione può essere tracciato sul plotter grafico facente parte di Arduino IDE (v. figura) o inviato ad un altro Arduino o all’ESP8266 (un chip Wi-Fi a basso costo con supporto completo al protocollo TCP/IP) per pubblicare i dati online. Probabilmente all’inizio è meglio monitorarlo tramite Arduino IDE, in modo che se ci sono dei problemi possono essere affrontati subito.

Il bel grafico relativo al segnale fornito dal rivelatore di fulmini realizzato con Arduino.

Lo spezzone di antenna deve essere lungo almeno 15-20 cm. Nota che non è necessario installare l’antenna sul tetto. Se si dispone di un tetto non metallico, è possibile montarla nello spazio loft e funzionerebbe altrettanto bene. Anche se l’hai montato sul tetto, non è più pericolosa dell’avere un’antenna TV / radio o una parabola satellitare sul tetto, se montata in orizzontale.

Sebbene sia possibile che un fulmine si abbatta direttamente su un’antenna posta sul tetto, è abbastanza raro che ciò accada. La maggior parte delle case hanno almeno un’antenna TV, e io stesso una volta ho avuto alcuni componenti elettronici (come il decoder satellitare) distrutti da un fulmine che ha colpito il mio condominio. Quindi, se collocate l’antenna del rivelatore sul tetto, mai in verticale.

Un originale radar per i fulmini

Infine, vorrei segnalare un bellissimo progetto su questo stessa tema, realizzato da uno scienziato dilettante olandese: quello di un vero e proprio “radar” per rivelare la direzione di provenienza dei fulmini e addirittura tracciarne la posizione. Potete raggiungere la descrizione di questo progetto cliccando qui.

Il sistema è basato su 2 antenne sintonizzate sui 10 kHz, collocate ad alcune centinaia di chilometri l’una dall’altra. Ogni antenna è collegata poi a un circuito elettronico costituito da due semplici amplificatori operazionali con guadagno di 100 x connessi alla scheda audio da 1 GHz di un computer. Vi è poi un software di campionamento (alla frequenza di 22 kHz) della scheda audio, chiamato Lightning Radar, e un programma in Visual Basic che rileva la direzione di provenienza del fulmine con una precisione di 1 grado.

Il software Lightning Radar, che può essere scaricato da qui. (fonte: F. Kooiman)

Questo software può venire utilizzato in diversi siti per calcolare la posizione del fulmine utilizzando il metodo della triangolazione. La triangolazione è un modo per determinare la posizione di qualcosa usando le posizioni di altre cose, in pratica quella dei sensori. È comunemente usata, ad esempio, dai geologi per trovare le posizioni dei terremoti, ed anche per determinare la posizione dei veicoli spaziali.

Le antenne usate dal sistema radar sviluppato dall’intraprendente olandese sono del tipo “a 2 loop incrociati”, cioè in pratica con 2 telai intersecati con una semplice geometria a croce perpendicolare. Un’antenna a telaio (loop) è un’antenna radio ad anello risonante che ha una circonferenza vicina a una lunghezza d’onda della frequenza operativa ed è quindi risonante a quella frequenza.

Questa categoria di antenne include anche anelli più piccoli – dal 5% al ​​30% di lunghezza d’onda della circonferenza – che usano un condensatore per renderli risonanti. Infatti, se guardate con attenzione il circuito elettrico usato dall’olandese, noterete un condensatore da 1 microfarad, come evidenziato nello schema qui sotto. Per il resto, il circuito è un amplificatore a due canali, uno che amplifica il segnale del telaio d’antenna Nord-Sud e l’altro quello del telaio Est-Ovest.

Primo stadio ricevente di un rivelatore di fulmini a 2 canali.

Grazie alla differente intensità del segnale proveniente dalle due antenne – e quindi dai due canali – è possibile stimare la direzione del fulmine, esattamente come avviene con i sismografi, che hanno un sensore N-S e uno E-O. E, come in sismologia, per determinare la posizione dell’evento, occorre incrociare i dati sulla direzione dell’evento con quelli forniti da un’altra stazione distante dalla prima.

Il software dell’olandese è scaricabile gratuitamente, mentre i circuiti sono acquistabili a un prezzo ragionevole. A causa dell’eccellente sensibilità del rivelatore, le scariche atmosferiche vengono registrate ogni minuto del giorno e su grandi distanze. Non è raro, quindi, rilevare un fulmine sul Marocco o sull’Ucraina (i segnali di scarica dei fulmini viaggiano più sull’acqua che sulla terra).

Tuttavia, con i circuiti illustrati all’inizio – e con le spiegazioni appena fornite – potete provare a realizzare un rivelatore a due canali meno sensibile ma autocostruito in grado di stimare la direzione dei fulmini. Allo scopo, potete usare una scheda Arduino quanto meno per la raccolta e l’elaborazione preliminare dei dati (per fornire le istruzioni con cui stimare in tempo reale la direzione). L’intensità dei segnali può invece darvi una rozza stima della distanza dell’evento, come per i terremoti.

Un sensore rivelatore di fulmini, con stima della distanza del fulmine e soglia di rilevamento programmabile. Sensori del genere li trovate qui.

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