Kontrola wyładowań atmosferycznych to ambitny cel, ale zespół europejskich naukowców osiągnął go w krótkim czasie i dużym kosztem. Wystrzeliwując lasery w stronę piorunów w Szwajcarii, zobaczyli, jak kontrolujemy wielkie siły w naszej atmosferze.
„To, co osiągnęliśmy, jest niezwykłe” – powiedział Matteo Clerici, profesor kwantów światła na Uniwersytecie w Glasgow, który nie był zaangażowany w badania. „To pierwsza demonstracja tego, jak możemy kontrolować błyskawice w prawdziwym środowisku”.
W tym celu zespół opracował tak zwane włókno laserowe, opublikowane niedawno w czasopiśmie Nature Photonics. Efekt samoogniskowania wiązki laserowej podczas jej przechodzenia przez powietrze tworzy włókno, które koncentruje energię, podobnie jak słońce przechodzące przez wypukłe szkło powiększające. Energia jest tak silna, że „gotuje” lub jonizuje elektrony w cząsteczkach powietrza, tworząc plazmę – zupę przegrzanej materii. Ten strumień gorącej plazmy nazywany jest włóknem.
Aurélien Houard, koordynator badań w Laboratorium Optyki Stosowanej w École Polytechnique, powiedział: „Jeśli weźmiesz bardzo mocny laser i wystrzelisz go w powietrze, sam wytworzy on włókno.
Włókno odpycha cząsteczki powietrza, co otwiera drogę do lejka pioruna. „Tworzą kanały o niskiej gęstości” – mówi Joal. „W tym kanale [błyskawica] może poruszać się szybciej niż na zewnątrz”. Drut staje się ścieżką najmniejszego oporu, a prąd lubi płynąć jak tradycyjna metalowa błyskawica.
Naukowcy twierdzą, że głównym celem jest wykorzystanie urządzenia do odbijania wyładowań atmosferycznych od wrażliwych obszarów, takich jak lotniska. Ze względu na większy zasięg lasery mogą pokrywać większe obszary niż metalowe piorunochrony.
„niebezpieczny eksperyment”
Wyniki są wynikiem ponad 2 lat badań i testów.
Aby stworzyć włókna w atmosferze, naukowcy wykorzystali laser, który emituje impulsy z prędkością jednej bilionowej sekundy. Właśnie ta prostota daje laserom moc, ponieważ w krótkich impulsach dostarcza się więcej energii niż w wiązce ciągłej. „Idea krótkiego lasera polega na tym, że można osiągnąć bardzo wysoką intensywność przy bardzo małej energii” — mówi Howard.
Poprzednie próby kontrolowania wyładowań atmosferycznych w Nowym Meksyku w 2008 roku i Singapurze w 2011 roku zakończyły się niepowodzeniem. Według Howarda, jednym z powodów niepowodzenia było to, że zastosowane impulsy laserowe nie były wystarczająco szybkie, aby utrzymać kanały o niskiej gęstości we włóknie.
Ten laser może wystrzelić tylko do 10 impulsów na sekundę. Jednak w badaniach Howarda naukowcy we współpracy z niemiecką firmą TRUMPF Scientific Lasers opracowali laser, który pulsuje 1000 razy na sekundę. Było to pierwsze tego typu urządzenie, którego wyprodukowanie kosztowało ponad 2 miliony euro. „Opracowanie lasera zajęło dwa lata, a potem prawie dwa lata testów”, mówi Howard.
3-tonowy laser został zainstalowany w pobliżu wieży telekomunikacyjnej na szczycie góry Santis w Szwajcarii. Naukowcy musieli zdemontować maszynę, przetransportować części w gondoli i zrzucić je ze wzgórza dużym helikopterem.
Montaż trwał 3 miesiące. „Po całym tym czasie, wysiłku i pieniądzach”, powiedział Joal, „nic nie widać. To bardzo niebezpieczny eksperyment”.
Jednak obawy grupy zostały szybko rozwiane, gdy laser został wystrzelony w niebo. W ciągu dwóch miesięcy zarejestrował cztery błyski światła na ścieżce lasera. W pewnym momencie niebo było tak czyste, że kamera była w stanie wystrzelić laser, gdy znajdowała się w odległości około 50 metrów (160 stóp).
Pomimo sukcesu, Howard przyznaje, że jest jeszcze długa droga, zanim lasery będą mogły zastąpić tradycyjne metalowe piorunochrony. Najpierw muszą rozwiązać pewne problemy związane z bezpieczeństwem. Ponadto urządzenia te są bardzo drogie. „Są często używane do ochrony bardzo dużej infrastruktury… takiej jak wyrzutnie lub elektrownie jądrowe” – powiedział Howard.
Potencjał astronomii laserowej
Postępy te mogą mieć zastosowanie w ochronie odgromowej. „Udowodnienie, że możliwe jest kontrolowanie tak dużego zjawiska atmosferycznego, utoruje drogę innym rzeczom” – powiedział Clerici.
Na przykład Howard jest częścią zespołu, który wykorzystuje włókna laserowe do zmniejszania oporu powietrza naddźwiękowego, a współautorami badań są Jean-Pierre Wolff i współpracownicy , którzy odkryli, w jaki sposób nieprzezroczyste włókna laserowe drążą chmurę , umożliwiając komunikację satelitarną. łączność. Lasery mogą również wytwarzać deszcz i śnieg .
„Myślę, że praca jest nadal bardzo prosta” – powiedział Miro Erquintalo, fizyk laserowy z University of Auckland, który nie był zaangażowany w badania. „W ten sposób nauka się rozwija. Ktoś wskazuje na okazję, a kiedy nadarzy się okazja, tak się stanie”.
„Nie sądzę, aby ludzki umysł był dobry w ekstrapolacji na następną dekadę” – powiedział. „Większość pionierskich naukowców robi coś, ponieważ chcą wiedzieć, że mogą to zrobić. Nadarzy się okazja”.