Physik

Als Benjamin Franklin 1752 seinen berühmten Drachen in einen stürmischen Himmel ließ, stellte er einen bevorzugten Weg bereit, über den die in den Wolken angesammelte Ladung den Boden erreichen konnte. Ein Update des Franklin-Drachens für das 21. Jahrhundert ist ein Laser, der in die Atmosphäre geschossen wird. Auf einem Schweizer Berg stationiert, haben Forscher gezeigt, dass der Strahl eines Hochleistungslasers eine bevorzugte Flugbahn für Blitze darstellt [1]. Ein solches Lasersystem könnte eines Tages sensible Einrichtungen wie Flughäfen, Raketenabschussrampen und Windparks vor Blitzen schützen.

Der durch Blitze verursachte Schaden – der in den USA schätzungsweise Schäden in Milliardenhöhe pro Jahr verursacht – kann durch die Kontrolle, wohin die elektrische Entladung geht, reduziert werden. „Derzeit ist der einzige verfügbare Schutz vor Blitzen ein klassischer Franklin-Blitzableiter“, sagt Aurélien Houard, Mitglied des Forschungsteams von der École Polytechnique in Paris. Diese hohen Metallstäbe sind gute Leiter und sorgen für einen Weg mit dem geringsten Widerstand von den Wolken zum Boden. Dieser Schutz gilt jedoch nur für Objekte innerhalb eines bestimmten Abstands zur Stange, der ungefähr durch die Höhe der Stange gegeben ist. Der Bau einer höheren Stange würde eine größere Fläche schützen, diese Lösung ist jedoch nicht immer praktikabel.

„Die Idee bei der Verwendung eines Lasers besteht darin, eine Verlängerung eines Metallstabs zu erzeugen, der theoretisch mehrere hundert Meter oder einen Kilometer hoch sein könnte“, sagt Houard. Im Gegensatz zu einer Metallkonstruktion könnte der Laser-„Stab“ nur dann eingeschaltet werden, wenn der Himmel bedrohlich ist.

Laserbasierte Blitzlenkung wurde erstmals 1974 vorgeschlagen und mehrere Experimente haben das Grundkonzept in einer Laborumgebung bestätigt. Allerdings hat sich die Demonstration des Systems vor Ort als schwieriger erwiesen. Einige Tests verliefen unglücklich und nie kam ein Sturm nah genug an den Laser heran. „Blitze sind sehr unvorhersehbar“, sagt Houard. „Möglicherweise muss man sehr lange warten, bis es zu einem Streik kommt.“ Und es reicht nicht aus, nur ein einziges Ereignis zu sehen: Forscher müssen Statistiken erstellen, um sicherzustellen, dass der Laser eine spürbare Wirkung hat.

Um ihre Chancen zu erhöhen, führten Houard und seine Kollegen ihr Laserexperiment an einem der blitzgefährdetsten Orte Europas durch: dem Berg Säntis im Nordosten der Schweiz. Dieser 2500 m hohe Berg wird von einem 30 Stockwerke hohen Telekommunikationsturm gekrönt, der etwa 100 Mal pro Jahr vom Blitz getroffen wird. Im Sommer 2021 installierten Houard und Kollegen einen autogroßen Terawatt-Laser auf dem Berg mit dem Ziel zu testen, ob sich Blitzbahnen durch das Laserlicht leiten lassen.

Zu Beginn ihrer Kampagne verließen sich die Forscher auf Wetterberichte, um vor herannahenden Gewittern zu warnen, doch die Vorhersagen waren oft falsch und das Team verpasste einige Chancen. „Wir beschlossen, auf dem Berg zu schlafen, um den Laser starten zu können, falls in der Nacht ein Blitz kommt“, sagt Houard. Außerdem mussten sie den nahegelegenen Flughafen alarmieren, wann immer sie den Laser abfeuern wollten, da die Gefahr bestand, dass das Licht die Augen von Menschen in über ihnen fliegenden Flugzeugen schädigen könnte.

Als die meteorologischen Bedingungen reif waren, richtete das Team seinen Laser in den Himmel und feuerte Pikosekundenimpulse mit einer Wiederholungsrate von 1 kHz ab. Durch die Fokussierung des Infrarot-Laserlichts auf einen Punkt nahe der Spitze des Turms erreichten die Forscher die Intensität, die erforderlich ist, um einen nichtlinearen optischen Effekt zu erzeugen, bei dem sich das Laserlicht in mehrere dünne „Filamente“ aufteilt, die sich ausbreiten, ohne sich auszubreiten (siehe Aussichtspunkt). : Luftwellenleiter von „Donut“-Laserstrahlen). Diese hochintensiven Ströme erhitzen die Luft und erzeugen Kanäle aus ionisiertem Gas oder „Plasma“, die bis zu 50 m lang sein können. Solche Plasmakanäle sind leitend wie ein Metallstab, daher wird erwartet, dass sie Blitzen einen bevorzugten Weg bieten.

Innerhalb von zwei Monaten betrieben die Forscher ihren Laser insgesamt sechs Stunden lang. In dieser Zeit wurde der Turm von 16 Blitzeinschlägen getroffen. Basierend auf visuellen und Funkbeobachtungen stellte das Team fest, dass vier dieser Angriffe auf einem Teil ihrer Flugbahn vom Laser gesteuert wurden. Fotos von einem dieser Ereignisse zeigen deutlich einen Blitz mit einem geraden Abschnitt, der dem 50 Meter langen Plasmakanal des Lasers entsprach. Die anderen drei Einschläge wurden mit Antennen am Berg gemessen, die Funkemissionen von Blitzentladungen aufzeichnen. Die Analyse dieser Funkdaten durch das Team ergab, dass diese Einschläge wiederum auf den Laserpfad ausgerichtet waren.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Laser den Weg des Blitzes auf seinem Weg zu einem häufig anvisierten Objekt (dem Turm) beeinflussen kann. Der nächste Schritt besteht darin zu zeigen, dass ein Laser empfindlichere Objekte schützen kann, indem er „Feuer“ aus den Gewitterwolken zieht. „Wir möchten zeigen, dass wir Blitze auslösen können“, sagt Houard. Für diese Anwendung stellt er sich einen leistungsstärkeren Laser vor, der einen Plasmakanal erzeugen kann, der 500 Meter oder mehr in den Himmel reicht. Ein so hoher Laserstab könnte Blitze von einer Reihe von Windkraftanlagen oder einer startbereiten Rakete ablenken.

„Es ist eine vielversprechende Technologie für den Blitzschutz“, sagt Blitzforscher Adonis Leal von New Mexico Tech. Er stellt die Frage, wie kosteneffektiv dies sein wird, wenn man bedenkt, dass herkömmliche Blitzableiter für den Betrieb keine Energie benötigen. „Wir brauchen mehr Feldkampagnen wie dieses [Experiment], um verlässliche Statistiken über die Effizienz des Lasersystems im Vergleich zu den Standard-Blitzschutzsystemen zu erhalten“, sagt Leal.

–Michael Schirber

Michael Schirber ist korrespondierender Herausgeber des Physics Magazine mit Sitz in Lyon, Frankreich.

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