ลำแสงเลเซอร์เบี่ยงเบนเส้นทางของฟ้าผ่า

ลำแสงเลเซอร์เบี่ยงเบนเส้นทางของฟ้าผ่า

ประทับเวลา: 24 มกราคม 2023 4:45 น

สายฟ้านำทางด้วยเลเซอร์
สายฟ้านำทางด้วยเลเซอร์ ลำแสงเลเซอร์ยิงขึ้นไปบนท้องฟ้าข้างหอส่งสัญญาณโทรคมนาคมสูง 124 เมตรบนภูเขา Säntis ในเทือกเขาแอลป์ของสวิส (มารยาท: TRUMPF/Martin Stollberg)

การยิงลำแสงเลเซอร์ขึ้นสู่ท้องฟ้าสามารถเบี่ยงเบนเส้นทางของฟ้าผ่าได้ ทีมนักวิทยาศาสตร์นานาชาติค้นพบ นักวิจัยกล่าวว่างานของพวกเขาอาจนำไปสู่การป้องกันฟ้าผ่าที่ดีขึ้นสำหรับสนามบินและโครงสร้างพื้นฐานที่สำคัญอื่น ๆ รวมทั้งปูทางสำหรับการประยุกต์ใช้เลเซอร์ระยะสั้นในชั้นบรรยากาศใหม่ ๆ

ข้อมูลดาวเทียมระบุว่าทั่วโลกมีฟ้าแลบระหว่าง 40 ถึง 120 ครั้ง รวมถึงฟ้าแลบจากเมฆสู่พื้นและฟ้าแลบในเมฆทุกวินาที การปล่อยไฟฟ้าสถิตระหว่างก้อนเมฆกับพื้นผิวโลกเป็นสาเหตุของการเสียชีวิตหลายพันคนและสร้างความเสียหายมูลค่าหลายพันล้านดอลลาร์ทุกปี

การป้องกันฟ้าผ่าที่พบบ่อยที่สุดคือสายล่อฟ้าหรือที่เรียกว่าสายล่อฟ้า เสาโลหะนำไฟฟ้านี้มีจุดปะทะพิเศษสำหรับฟ้าผ่าและนำกระแสไฟฟ้าลงสู่พื้นอย่างปลอดภัย

แต่แท่งแฟรงคลินไม่ได้ทำงานอย่างสมบูรณ์และครอบคลุมได้จำกัดเสมอไป พื้นที่ที่พวกเขาป้องกันมีรัศมีที่เทียบเท่ากับความสูงโดยประมาณ: แท่งยาว 10 ม. จะป้องกันพื้นที่ที่มีรัศมี 10 ม. ซึ่งหมายความว่าการป้องกันที่เชื่อถือได้สำหรับพื้นที่ขนาดใหญ่ของโครงสร้างพื้นฐานต้องใช้แท่งเหล็กหลายท่อนหรือสูงเกินความสามารถ

อีกทางเลือกหนึ่งคือ นักวิทยาศาสตร์เสนอว่าสามารถใช้พัลส์เลเซอร์ที่รุนแรงเพื่อนำทางฟ้าผ่าได้ แนวคิดซึ่งก่อนหน้านี้มีการสำรวจในห้องปฏิบัติการเท่านั้น คือลำแสงเลเซอร์จะทำหน้าที่เป็นแท่งเคลื่อนที่ขนาดใหญ่ได้

ทฤษฎีพื้นฐานที่อยู่เบื้องหลังสายล่อฟ้าที่ใช้เลเซอร์คือ พัลส์เลเซอร์ที่เข้มข้นและสั้นจะถูกยิงขึ้นไปในอากาศ ซึ่งจะมีความเข้มเพียงพอที่จะทำให้โมเลกุลของอากาศแตกตัวเป็นไอออนได้ ตามช่องทางแคบยาวของพัลส์เลเซอร์ไอออไนซ์ โมเลกุลของอากาศจะถูกทำให้ร้อนอย่างรวดเร็วและถูกขับออกด้วยความเร็วเหนือเสียง สิ่งนี้ทำให้ช่องอากาศที่มีอายุการใช้งานยาวนานมีความหนาแน่นลดลงซึ่งนำไฟฟ้าได้ดีกว่าบริเวณโดยรอบ ทำให้เส้นทางที่ปล่อยไฟฟ้าของฟ้าผ่าเดินทางได้ง่ายขึ้น

“เมื่อปล่อยพัลส์เลเซอร์กำลังสูงออกสู่ชั้นบรรยากาศ เส้นใยของแสงที่มีความเข้มมากจะก่อตัวขึ้นภายในลำแสง” อธิบาย ฌอง-ปิแอร์ วูล์ฟนักฟิสิกส์แห่งมหาวิทยาลัยเจนีวา “เส้นใยเหล่านี้ทำให้โมเลกุลของไนโตรเจนและออกซิเจนในอากาศแตกตัวเป็นไอออน ซึ่งจะปล่อยอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ อากาศที่แตกตัวเป็นไอออนนี้เรียกว่าพลาสมาจะกลายเป็นตัวนำไฟฟ้า”

เพื่อทดสอบแนวคิดนี้ Wolf และทีมนักวิจัยจากยุโรปและสหรัฐอเมริกาได้มุ่งหน้าไปยังจุดที่มีฟ้าผ่ามากที่สุดแห่งหนึ่งในยุโรป นั่นคือภูเขา Säntis ทางตะวันออกเฉียงเหนือของสวิตเซอร์แลนด์ บนยอดเขาสูง 2500 ม. มีหอโทรคมนาคมสูง 124 ม. ที่ถูกฟ้าผ่าประมาณ 100 ครั้งต่อปี

ทีมงานได้ติดตั้งเลเซอร์ที่พัฒนาขึ้นเป็นพิเศษใกล้กับหอคอยสื่อสาร ขนาดของรถยนต์ขนาดใหญ่และมีน้ำหนักมากกว่าสามตัน เลเซอร์ปล่อยพัลส์ระยะเวลาพิโควินาทีและพลังงาน 500 mJ ในอัตราประมาณหนึ่งพันพัลส์ต่อวินาที ระหว่างเดือนกรกฎาคมถึงกันยายน พ.ศ. 2021 นักวิจัยดำเนินการเลเซอร์ในช่วงพายุฝนฟ้าคะนองทั้งหมด 6.3 ชั่วโมง ซึ่งเกิดขึ้นภายในระยะ 3 กม. จากหอคอย

ในช่วงระยะเวลาทดลองสองเดือน หอคอยถูกฟ้าผ่าอย่างน้อย 16 ครั้ง โดยสี่ครั้งเกิดขึ้นระหว่างการทำงานของเลเซอร์ สายฟ้าทั้งสี่ที่พุ่งขึ้นด้านบนนี้ถูกเบี่ยงเบนโดยเลเซอร์ นักวิทยาศาสตร์ใช้การวัดกระแสฟ้าผ่าบนหอคอย เสาอากาศสนามแม่เหล็กไฟฟ้า และเซ็นเซอร์เอ็กซ์เรย์เพื่อจับรายละเอียดของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและการระเบิดของรังสีเอกซ์ที่เกิดจากการปล่อยฟ้าผ่าเพื่อยืนยันตำแหน่งของการโจมตี

เส้นทางของหนึ่งในการโจมตีถูกบันทึกโดยกล้องความเร็วสูงสองตัว ภาพแสดงให้เห็นว่าสายฟ้าฟาดตามเส้นทางของแสงเลเซอร์ในตอนแรกประมาณ 50 ม.

“จากเหตุการณ์ฟ้าแลบครั้งแรกที่ใช้เลเซอร์ เราพบว่าการปลดปล่อยสามารถติดตามลำแสงได้เกือบ 60 ม. ก่อนถึงหอคอย ซึ่งหมายความว่าจะเพิ่มรัศมีของพื้นผิวป้องกันจาก 120 ม. เป็น 180 ม.” Wolf กล่าว

ผู้วิจัยรายงานผลการวิจัยใน Photonics ธรรมชาติ.

ประทับเวลา:

เพิ่มเติมจาก โลกฟิสิกส์