Devierea fulgerului cu laserul. Rezultate experimentele pe timp de furtună

Nu încercați acest lucru acasă, dar un laser îndreptat către cer ar putea devia loviturile de fulger, potrivit unui nou studiu al unei echipe de oameni de știință care a efectuat experimente cu lasere pe vârful unui munte elvețian unde se află un turn metalic de telecomunicații.

Fizicianul Aurélien Houard de la Laboratorul de Optică Aplicată al Centrului Național Francez pentru Cercetare Științifică din Paris și colegii săi au testat timp de ore întregi, pe timp de furtună, dacă un laser ar putea ghida fulgerele departe de infrastructura critică.

Turnul de telecomunicații este lovit de fulgere de aproximativ 100 de ori pe an, similar cu numărul fulgerelor care lovesc planeta sau se propagă între nori în fiecare secundă. Aceste fulgere pot cauza la nivel global daune de miliarde de dolari aeroporturilor și rampelor de lansare, ca să nu mai vorbim de vătămarea oamenilor.

Ilustrație cu laserul verde care se îndreaptă spre cer, lângă turnul de telecomunicații din metal alb. Credit: TRUMPF/Martin Stollberg

Cea mai bună protecție a noastră împotriva loviturilor de trăsnet este o tijă Franklin inventată în secolul al XVIII- lea de Benjamin Franklin. Aceste tije se conectează la cabluri metalice care coboară pe clădiri și se ancorează pe Pământ pentru a disipa energia fulgerului.

Houard și colegii săi au vrut să găsească o modalitate mai bună de protejare împotriva loviturilor de trăsnet, luptând împotriva electricității cu lumină.

„Deși acest domeniu de cercetare a fost foarte activ de mai bine de 20 de ani, acesta este primul rezultat pe teren care demonstrează experimental fulgerul ghidat de lasere”, scriu cercetătorii în lucrarea lor publicată.

Odată cu o creștere a numărului fenomenelor meteorologice extreme, determinate de schimbările climatice, protecția împotriva trăsnetului devine din ce în ce mai importantă.

Experimentul s-a desfășurat în vara anului 2021 pe muntele Säntis din nord-estul Elveției. Pulsuri laser scurte și intense au fost trimise în nori în timpul unei serii de furtuni și au deturnat, cu succes, patru descărcări de fulger de la vârful turnului.

Laserul și turnul de telecomunicații de pe vârful muntelui Säntis din Elveția. Credit: TRUMPF/Martin Stollberg

Alte 12 fulgere au lovit turnul de telecomunicații în perioadele de furtună când laserul a fost inactiv.

Atunci când cerul a fost suficient de senin pentru a surprinde acțiunea cu două camere de mare viteză, a fost înregistrată o lovitură de fulger urmând calea laserului pe o distanţă de 50 de metri.

Senzorii de pe turnul de telecomunicații au înregistrat, de asemenea, câmpurile electrice şi razele X generate pentru a detecta producerea şi propagarea fulgerului, aşa cum se poate vedea în reconstrucţia din videoclipul de mai jos.

Deşi această idee a fost prezentată pentru prima dată în 1974 și a fost testată pe larg în laborator, este fascinant să observăm că se aplică în lumea reală așa cum a fost concepută. Câteva teste anterioare pe teren, unul în Mexic și altul în Singapore, nu au reușit să găsească nicio dovadă că laserele ar putea devia loviturile fulgerelor.

„Aceste rezultate preliminare ar trebui confirmate prin experimente suplimentare cu noi configurații”, au scris Houard și colegii.

Deşi cercetătorii încă încearcă să-şi dea seama de ce laserele au funcționat în studiile lor, dar nu şi în experimentele anterioare, ei au găsit câteva posibile explicaţii.

Laserul pe care Houard și colegii l-au folosit genera până la o mie de pulsuri pe secundă, mult mai mult decât alte lasere utilizate anterior, ceea ce i-a permis fasciculului verde să intercepteze toți precursorii fulgerului care s-au format deasupra turnului de comunicaţii.

Se pare că fasciculele laser înregistrate au deviat doar fulgerele cu sarcină electrică pozitivă, care sunt produse de un nor încărcat electric pozitiv și generează „vârfuri” în sus cu sarcina electrică negativă.

Deci cum funcționează?

Aşa cum Houard și colegii au explicat în lucrarea lor, modificarea devierii luminii prin aer se obține prin reducerea și intensificarea pulsului laser până când acesta începe să ionizeze moleculele de aer. Rezultă trasee de tip filament prin aer.

Moleculele de aer sunt încălzite rapid de-a lungul traseului laserului, absorbind energia acestuia, apoi sunt expulzate cu viteză supersonică. Acest lucru lasă în urmă canale „cu viață lungă” de aer mai puțin dens care oferă o cale pentru descărcările electrice.

„La rate mari de reluare a laserului, aceste molecule de oxigen încărcate electric cu viață lungă se acumulează, păstrând o amintire a traseului laserului” pentru ca fulgerul să o urmeze, scriu cercetătorii.

Configurația experimentală (stânga) și o imagine (dreapta) care arată zona de filamente deasupra turnului. Credit: Houard și colab., Nature Photonics, 2023

Descărcări electrice pe distanţe de ordinul metrilor au fost ghidate de lasere în laborator, dar aceasta este prima dată când tehnica a funcționat într-o furtună. Condițiile laserului au fost ajustate astfel încât inițierea comportamentului filamentar a început chiar deasupra vârfului turnului.

„Această lucrare deschide calea pentru noi aplicații ale laserelor ultrascurte în atmosferă și reprezintă un important pas înainte în dezvoltarea unei protecții împotriva fulgerului pe bază de laser pentru aeroporturi, rampe de lansare sau infrastructuri mari”, concluzionează Houard și colegii.

Studiul a fost publicat în Nature Photonics.

Traducere după Firing a Laser Into The Sky Can Divert Lightning, Experiment Shows