Een laser in de lucht afvuren kan bliksem afleiden, experiment bewijst het
Probeer dit niet thuis, maar een laserstraal in de lucht kan blikseminslag voorkomen, volgens een nieuwe studie van een team van wetenschappers die experimenteerden met de lasers boven op een Zwitserse berg waar een enorm groot metaal telecommunicatie toren staat.
Natuurkundige Aurélien Houard, van het Applied Optics Laboratory van het Franse Nationale Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek in Parijs, en collega’s doorstonden urenlange onweersbuien om te testen of een laser blikseminslagen weg kon leiden van kritieke infrastructuur. De telecommunicatietoren wordt ongeveer 100 keer per jaar door de bliksem getroffen.
Dat is vergelijkbaar met het aantal bliksemflitsen dat per seconde de planeet Aarde treft of knettert tussen wolken. Gezamenlijk kunnen die aanvallen voor miljarden dollars schade aanrichten aan luchthavens en lanceerplatforms, om nog maar te zwijgen van mensen.
Onze beste bescherming tegen blikseminslag is een Franklin-staaf, niets meer dan een metalen torenspits die in de 18e eeuw werd uitgevonden door Benjamin Franklin, die ontdekte dat blikseminslag zigzaggende elektriciteitsschichten zijn. Die staven zijn verbonden met metalen kabels die door gebouwen lopen en in de aarde verankeren, en werken om de energie van bliksem te verdrijven.
Houard en collega’s wilden een betere manier bedenken om zich te beschermen tegen blikseminslagen door elektriciteit met licht te bestrijden.
“Hoewel dit onderzoeksveld al meer dan 20 jaar zeer actief is, is dit het eerste veldresultaat dat experimenteel bliksem aantoont geleid door lasers”, schrijven ze in hun gepubliceerde paper.
Met een toename van extreme weersomstandigheden als gevolg van klimaatverandering op de radar, wordt bliksembeveiliging steeds belangrijker.
De experimentele campagne liep in de zomer van 2021 vanaf de berg Säntis in het noordoosten van Zwitserland. Korte, intense laserpulsen werden tijdens een reeks onweersbuien in de wolken geworpen en leidden met succes vier opwaartse bliksemontladingen weg van de punt van de toren.
De laser- en telecommunicatietoren op de top van de berg Säntis in Zwitserland. (TRUMPF/Martin Stollberg)
Nog eens 12 blikseminslagen troffen de toren tijdens die onweersperioden waarin de laser inactief was.
Bij één gelegenheid, toen de lucht helder genoeg was om de actie op twee afzonderlijke hogesnelheidscamera’s vast te leggen, werd een blikseminslag geregistreerd die het pad van de laser gedurende 50 meter (164 voet) volgde.
Sensoren op de telecommunicatietoren registreerden ook de elektrische velden en er werden röntgenstralen gegenereerd om bliksemactiviteit te detecteren en zijn pad te bevestigen, dat je in de onderstaande video gereconstrueerd kunt zien.
https://youtu.be/4_FdXTlSYUY
Voor een idee dat voor het eerst naar voren werd gebracht in 1974 en uitgebreid werd getest in het laboratorium, is het opwindend om te zien dat het eindelijk werkt zoals ontworpen in de echte wereld. Verschillende eerdere veldproeven, een in Mexico en een andere in Singapore, hadden geen enkel bewijs gevonden dat lasers blikseminslagen konden afweren.
“Deze voorlopige resultaten zouden moeten worden bevestigd door aanvullende campagnes met nieuwe configuraties”, schrijven Houard en collega’s.
Terwijl de onderzoekers nog steeds aan het uitzoeken zijn waarom de lasers in hun proeven werkten, maar niet in eerdere experimenten, hebben ze een paar ideeën. De laser die Houard en collega’s gebruikten, vuurt tot duizend pulsen per seconde af, veel sneller dan andere gebruikte lasers, waardoor de groene straal alle bliksemvoorlopers die zich boven de toren vormen, kan onderscheppen.
Maar de geregistreerde lasergebeurtenissen leken alleen positieve bliksemflitsen, die worden geproduceerd door een positief geladen wolk, af te leiden en negatief geladen opwaartse ‘leiders’ te genereren.
Dus hoe werkt het?
Zoals Houard en collega’s in hun paper uitleggen, verandert de laser die naar de hemel wordt gestuurd de lichtbuigende eigenschappen van de lucht, waardoor de laserpuls krimpt en intenser wordt totdat deze luchtmoleculen begint te ioniseren. Dit proces wordt filamentatie genoemd.
De luchtmoleculen worden snel verwarmd langs het pad van de laser, absorberen zijn energie en worden vervolgens met supersonische snelheid uitgestoten. Dit laat ‘langlevende’ kanalen van minder dichte lucht achter die een pad bieden voor elektrische ontladingen.
“Bij hoge laserherhalingssnelheden hopen deze langlevende geladen zuurstofmoleculen zich op, waardoor een herinnering aan het laserpad wordt bewaard” voor bliksem om te volgen, schrijven de onderzoekers.
Meterslange elektrische ontladingen werden in het lab gestuurd door lasers, maar dit is de eerste keer dat de techniek werkt in een onweersbui. De laseromstandigheden werden zo aangepast dat de initiatie van draadvormig gedrag net boven de punt van de toren begon.
“Dit werk maakt de weg vrij voor nieuwe atmosferische toepassingen van ultrakorte lasers en vertegenwoordigt een belangrijke stap voorwaarts in de ontwikkeling van een op laser gebaseerde bliksembeveiliging voor luchthavens, lanceerplatforms of grote infrastructuren”, concluderen Houard en collega’s.
Het onderzoek is gepubliceerd in Nature Photonics.
