Laserstråle omleder vejen for lynnedslag

At affyre en laserstråle mod himlen kan omdirigere vejen for et lynnedslag, har et internationalt hold af videnskabsmænd fundet. Forskerne siger, at deres arbejde kan føre til bedre lynbeskyttelse for lufthavne og andre kritiske infrastrukturer, samt bane vejen for nye atmosfæriske anvendelser af ultrakorte lasere.

Satellitdata tyder på, at der over hele verden er mellem 40 og 120 lyn – inklusive sky-til-jord og sky lyn – hvert sekund. Sådanne elektrostatiske udladninger mellem skyer og jordens overflade er ansvarlige for tusindvis af dødsfald og skader for milliarder af dollars hvert år.

Den mest almindelige beskyttelse mod lynnedslag er lynaflederen, også kendt som en Franklin-stang. Denne elektrisk ledende metalmast tilbyder et foretrukket anslagspunkt for lyn og leder den elektriske udladning sikkert til jorden.

Men Franklin stænger fungerer ikke altid perfekt og giver begrænset dækning. Området, de beskytter, har en radius, der nogenlunde svarer til deres højde: En stang på 10 m vil beskytte et område med en radius på 10 m. Det betyder, at pålidelig beskyttelse af store områder af infrastrukturen kræver flere eller uigennemførligt høje stænger.

Som et alternativ har forskere foreslået, at intense laserimpulser kunne bruges til at guide lynnedslag. Tanken, som tidligere kun er blevet udforsket i laboratorieforhold, er, at laserstrålen skulle fungere som en stor bevægelig stang.

Den grundlæggende teori bag en laserbaseret lynafleder er, at intense og korte laserimpulser affyres i luften, hvor de bliver tilstrækkeligt intense til at ionisere luftmolekyler. Langs disse lange smalle kanaler af ioniserende laserimpulser bliver luftmolekyler hurtigt opvarmet og udstødt med supersoniske hastigheder. Dette efterlader langlivede luftkanaler med reduceret densitet, der er mere elektrisk ledende end omgivende områder, hvilket giver en lettere vej for de elektriske udladninger fra lyn at bevæge sig langs.

"Når laserimpulser med meget høj effekt udsendes til atmosfæren, dannes der meget intenst lys inde i strålen," forklarer Jean Pierre Wolf, fysiker ved universitetet i Genève. "Disse filamenter ioniserer nitrogen- og oxygenmolekylerne i luften, som så frigiver elektroner, der er frie til at bevæge sig. Denne ioniserede luft, kaldet plasma, bliver en elektrisk leder."

For at teste denne idé tog Wolf og et team af forskere fra Europa og USA til et af Europas lyn-hotspots: Säntis-bjerget i det nordøstlige Schweiz. På toppen af ​​dette 2500 m bjerg er et 124 m højt telekommunikationstårn, der bliver ramt af lynet omkring 100 gange om året.

Holdet installerede en specialudviklet laser nær kommunikationstårnet. På størrelse med en stor bil og med en vægt på mere end tre tons udsendte laseren impulser af picosekunders varighed og 500 mJ energi med en hastighed på omkring tusinde impulser i sekundet. Mellem juli og september i 2021 betjente forskerne laseren under i alt 6.3 timers tordenvejrsaktivitet inden for 3 km fra tårnet.

Kunne lasere styre og styre lynets vej?

I løbet af den to måneder lange forsøgsperiode blev tårnet ramt af mindst 16 lyn, hvoraf fire opstod under laseraktivitet. Alle fire af disse opadgående lynnedslag blev omdirigeret af laseren. Forskerne brugte lynstrømsmålinger på tårnet, elektromagnetiske feltantenner og røntgensensorer til at fange detaljer om elektromagnetiske bølger og røntgenudbrud genereret af lynudladninger for at bekræfte placeringen af ​​strejkene.

Stien til et af angrebene blev også optaget af to højhastighedskameraer. Billederne viser, at lynnedslaget i første omgang fulgte laserens vej i omkring 50 m.

"Fra den første lynbegivenhed med laseren fandt vi ud af, at udladningen kunne følge strålen i næsten 60 m, før den nåede tårnet, hvilket betyder, at den øgede beskyttelsesfladens radius fra 120 m til 180 m," siger Wolf.

Forskerne rapporterer deres resultater i Nature Photonics.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• Platoblokkæde. Web3 Metaverse Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/laser-beam-diverts-the-path-of-lightning-strikes/