Laserstrahl leitet den Weg von Blitzeinschlägen um

Das Abfeuern eines Laserstrahls in den Himmel kann den Weg eines Blitzeinschlags umleiten, hat ein internationales Team von Wissenschaftlern herausgefunden. Die Forscher sagen, dass ihre Arbeit zu einem besseren Blitzschutz für Flughäfen und andere kritische Infrastrukturen führen und den Weg für neue atmosphärische Anwendungen von Ultrakurzlasern ebnen könnte.

Satellitendaten deuten darauf hin, dass es weltweit zwischen 40 und 120 Blitze pro Sekunde gibt – einschließlich Wolke-Boden- und Wolkenblitze. Solche elektrostatischen Entladungen zwischen Wolken und der Erdoberfläche sind jedes Jahr für Tausende von Todesfällen und Schäden in Milliardenhöhe verantwortlich.

Der gebräuchlichste Schutz vor Blitzeinschlägen ist der Blitzableiter, auch Franklin-Ableiter genannt. Dieser elektrisch leitende Metallmast bietet einen bevorzugten Einschlagpunkt für Blitze und leitet die elektrische Entladung sicher zu Boden.

Aber Franklin-Ruten funktionieren nicht immer perfekt und bieten nur eine begrenzte Abdeckung. Der Bereich, den sie schützen, hat einen Radius, der ungefähr ihrer Höhe entspricht: Eine 10-m-Stange schützt einen Bereich mit einem Radius von 10 m. Das bedeutet, dass ein zuverlässiger Schutz großer Infrastrukturbereiche mehrere oder unmöglich hohe Stangen erfordert.

Als Alternative haben Wissenschaftler vorgeschlagen, dass intensive Laserpulse verwendet werden könnten, um Blitzeinschläge zu lenken. Die bisher nur unter Laborbedingungen erprobte Idee ist, dass der Laserstrahl wie ein großer beweglicher Stab wirkt.

Die grundlegende Theorie hinter einem laserbasierten Blitzableiter ist, dass intensive und kurze Laserpulse in die Luft abgefeuert werden, wo sie ausreichend intensiv werden, um Luftmoleküle zu ionisieren. Entlang dieser langen schmalen Kanäle ionisierender Laserpulse werden Luftmoleküle schnell erhitzt und mit Überschallgeschwindigkeit ausgestoßen. Dies hinterlässt langlebige Luftkanäle mit reduzierter Dichte, die elektrisch leitfähiger sind als die umliegenden Regionen und einen leichteren Weg für die elektrischen Entladungen von Blitzen bieten.

„Wenn Laserpulse mit sehr hoher Leistung in die Atmosphäre emittiert werden, bilden sich im Inneren des Strahls Filamente mit sehr intensivem Licht“, erklärt er Jean Pierre Wolf, Physiker an der Universität Genf. „Diese Filamente ionisieren die Stickstoff- und Sauerstoffmoleküle in der Luft, die dann Elektronen freisetzen, die sich frei bewegen können. Diese ionisierte Luft, Plasma genannt, wird zu einem elektrischen Leiter.“

Um diese Idee zu testen, machten sich Wolf und ein Team von Forschern aus Europa und den USA auf den Weg zu einem der Blitz-Hotspots Europas: dem Berg Säntis in der Nordostschweiz. Auf der Spitze dieses 2500 m hohen Berges steht ein 124 m hoher Fernmeldeturm, der etwa 100 Mal im Jahr vom Blitz getroffen wird.

Das Team installierte einen speziell entwickelten Laser in der Nähe des Sendeturms. Der Laser, der so groß wie ein großes Auto ist und mehr als drei Tonnen wiegt, sendet Pulse mit einer Dauer von Pikosekunden und einer Energie von 500 mJ mit einer Rate von etwa tausend Pulsen pro Sekunde aus. Zwischen Juli und September 2021 betrieben die Forscher den Laser während insgesamt 6.3 Stunden Gewitteraktivität, die in einem Umkreis von 3 km um den Turm auftrat.

Könnten Laser den Weg des Blitzes lenken und kontrollieren?

Während des zweimonatigen Versuchszeitraums wurde der Turm von mindestens 16 Blitzen getroffen, von denen vier während der Laseraktivität auftraten. Alle vier dieser nach oben gerichteten Blitzeinschläge wurden vom Laser abgelenkt. Die Wissenschaftler verwendeten Blitzstrommessungen am Turm, elektromagnetische Feldantennen und Röntgensensoren, um Details von elektromagnetischen Wellen und Röntgenstrahlen zu erfassen, die durch die Blitzentladungen erzeugt wurden, um den Ort der Einschläge zu bestätigen.

Der Weg eines der Streiks wurde auch von zwei Hochgeschwindigkeitskameras aufgezeichnet. Die Bilder zeigen, dass der Blitzeinschlag zunächst etwa 50 m dem Weg des Lasers folgte.

„Seit dem ersten Blitzereignis mit dem Laser stellten wir fest, dass die Entladung dem Strahl fast 60 m folgen konnte, bevor sie den Turm erreichte, was bedeutet, dass sie den Radius der Schutzfläche von 120 m auf 180 m vergrößerte“, sagt Wolf.

Die Forscher berichten über ihre Ergebnisse in Nature Photonics.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/laser-beam-diverts-the-path-of-lightning-strikes/