Blitze erfolgreich mit Laser abgelenkt

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Neuer Blitzableiter

Einer internationalen Forschergruppe bestehend aus der Universität Genf (UNIGE), der École Polytechnique (Paris), der EPFL, HES-SO (Fachhochschule Westschweiz), des Luft- und Raumfahrtunternehmens Ariane Group, und der TRUMPF scientific lasers (München) ist es gelungen, einen Blitz mit einem Laserstrahl umzuleiten. Das Experiment an einem 124 Meter hohen Telekommunikationsturm auf dem Säntis in der Schweiz beschreiben die Forschenden in Nature Photonics. Die  vielversprechende Alternative zu Franklins Erfindung: der Laser-Blitzableiter (Laser Lightning Rod – LLR). Mit einem Test des LLR auf dem Gipfel des Säntis haben die Forscherinnen und Forscher nun den Beweis für seine Machbarkeit erbracht. Der Stab kann selbst bei schlechtem Wetter Blitze über mehrere Dutzend Meter ablenken.

Eine der ältesten Fotografien eines Blitzes: Einschlag in den Eiffelturm – Foto © Gabriel Loppé, Public domain, via Wikimedia Commons, photolib.noaa.gov – 03.06.1902  – gemeinfrei

Blitze sind eines der extremsten Naturphänomene. Es handelt sich um eine abrupte elektrostatische Entladung mit Millionen von Volt und Hunderttausenden von Ampere. Blitze können in einer einzelnen Wolke, zwischen mehreren Wolken, zwischen einer Wolke und dem Boden und umgekehrt beobachtet werden. So faszinierend wie zerstörerisch Blitze sind, so sind sie doch für bis zu 24.000 Todesfälle pro Jahr verantwortlich. Von Stromausfällen über Waldbrände bis hin zu Schäden an der Infrastruktur verursachen sie zudem erhebliche Verwüstungen, die sich auf mehrere Milliarden Dollar belaufen.

An den Blitzschutzvorrichtungen hat sich seit der Erfindung des Blitzableiters durch Benjamin Franklin im Jahr 1752 wenig geändert – ein spitzer, leitfähiger Mast aus Metall, der mit dem Boden verbunden ist. Die traditionelle Stange ist auch heute noch die wirksamste Form des äußeren Schutzes: Sie schützt eine Fläche mit einem Radius, der in etwa seiner Höhe entspricht. Ein 10 m hoher Stab sichert also eine Fläche mit einem Radius von 10 m. Da die Höhe der Masten jedoch nicht unbegrenzt erweiterbar ist, ist es kein optimales System für den Schutz sensibler Standorte in einem großen Bereich, wie z. B. einem Flughafen, einem Windpark oder einem Kernkraftwerk.

Die Luft leitfähig machen

Durch die Erzeugung von Kanälen aus ionisierter Luft wurde der LLR dazu verwendet, Blitze entlang seines Strahls zu leiten. Indem er sich von einem herkömmlichen Blitzableiter nach oben erstreckt, kann er seine Höhe und die Fläche des zu schützenden Gebiets praktisch vergrößern. „Wenn sehr leistungsstarke Laserpulse in die Atmosphäre emittiert werden, bilden sich im Inneren des Strahls Filamente aus sehr intensivem Licht“, beginnt Jean-Pierre Wolf, ordentlicher Professor in der Abteilung für Angewandte Physik in der Physiksektion der naturwissenschaftlichen Fakultät der UNIGE und Hauptautor der Untersuchung. „Diese Fäden ionisieren die Stickstoff- und Sauerstoffmoleküle in der Luft, die dann sich frei bewegende Elektronen freisetzen. Diese ionisierte Luft, ‚Plasma‘ genannt, wird zu einem elektrischen Leiter“.

Tests in 2.500 m Höhe

Das LLR-Projekt erforderte die Entwicklung eines neuen Lasers mit einer mittleren Leistung von einem Kilowatt, einem Joule pro Puls und einer Pulsdauer von einer Pikosekunde. Der Stab ist 1,5 m breit, 8 m lang, wiegt mehr als 3 Tonnen und wurde von TRUMPF scientific lasers entwickelt. Dieser Terawatt-Laser wurde auf dem Gipfel des Säntis (im Appenzellerland, auf einer Höhe von 2.502 m) getestet, der bereits von der EPFL und der HEIG-VD / HES-SO zur Beobachtung von Blitzen benutzt wurde. Er konzentrierte sich auf einen 124 m hohen Sendemast des Telekommunikationsanbieters Swisscom, der mit einem herkömmlichen Blitzableiter ausgestattet war. Dieser Turm ist eines der am stärksten von Blitzen betroffenen Bauwerke in Europa. „Die Hauptschwierigkeit bestand darin, dass es sich um eine Kampagne in Lebensgröße handelte. Wir mussten eine Umgebung vorbereiten, in der wir den Laser installieren und schützen konnten“, sagt Pierre Walch, Doktorand im Laboratoire d’Optique Appliquée (LOA), einer gemeinsamen Forschungseinheit von CNRS, École Polytechnique, ENSTA Paris, Institut Polytechnique de Paris, Palaiseau, Frankreich.

Der Laser wurde jedes Mal aktiviert, wenn zwischen Juni und September 2021 Sturmaktivität vorhergesagt wurde. Das Gebiet musste im Vorfeld für den Flugverkehr gesperrt werden. „Wir wollten herausfinden, ob es einen Unterschied mit oder ohne Laser gibt“, erklärt Aurélien Houard, Forscher im Laboratoire d’Optique Appliquée (LOA) und Koordinator des Projekts. „Wir haben die Daten verglichen, die gesammelt wurden, als der Laserfaden über dem Turm erzeugt wurde und als der Turm auf natürliche Weise vom Blitz getroffen wurde“.

Effektiv auch durch Wolken hindurch

Es dauerte fast ein Jahr, um die riesige Menge an gesammelten Daten zu analysieren. Diese Analyse zeigt nun, dass der LLR-Laser Blitze effektiv lenken kann. Wolf weiter: „Bei dem ersten Blitzereignis, bei dem der Laser zum Einsatz kam, konnten wir feststellen, dass die Entladung dem Strahl fast 60 Meter folgen konnte, bevor sie den Turm erreichte, was bedeutet, dass der Radius der Schutzfläche von 120 m auf 180 m vergrößert wurde“. Die Datenanalyse zeigt auch, dass der LLR im Gegensatz zu anderen Lasern auch bei schwierigen Wetterbedingungen – wie Nebel (der auf dem Gipfel des Säntis häufig auftritt), der den Strahl stoppen kann – funktioniert, da er die Wolken buchstäblich durchdringt. Dieses Ergebnis war bisher nur im Labor beobachtet worden. Der nächste Schritt des Konsortiums wird darin bestehen, die Wirkungshöhe des Lasers noch weiter zu erhöhen. Langfristiges Ziel ist es, mit dem LLR einen 10 m hohen Blitzableiter um 500 m zu verlängern.

Abstract aus nature photonics

„Hier zeigen wir erstmals, dass laserinduzierte Filamente – die durch kurze und intensive Laserpulse am Himmel gebildet werden – Blitzentladungen über beträchtliche Entfernungen leiten können. Wir glauben, dass dieser experimentelle Durchbruch zu Fortschritten im Blitzschutz und in der Blitzphysik führen wird. Im Sommer 2021 wurde auf dem Säntis in der Nordostschweiz eine experimentelle Kampagne mit einem Terawatt-Laser mit hoher Wiederholrate durchgeführt. Die Führung eines aufwärtsgerichteten negativen Blitzes über eine Distanz von 50 m wurde von zwei separaten Hochgeschwindigkeitskameras aufgenommen. Die Führung negativer Blitze durch Laserfilamente wurde in drei weiteren Fällen durch interferometrische Messungen mit sehr hoher Frequenz bestätigt, und die Zahl der während geführter Blitze entdeckten Röntgenausbrüche nahm stark zu. Obwohl dieses Forschungsgebiet seit mehr als 20 Jahren sehr aktiv ist, ist dies das erste Ergebnis, das experimentell zeigt, dass Blitze von Lasern gelenkt werden. Diese Arbeit ebnet den Weg für neue atmosphärische Anwendungen von Ultrakurzzeitlasern und ist ein wichtiger Schritt in der Entwicklung eines laserbasierten Blitzschutzes für Flughäfen, Startrampen oder große Infrastrukturen.“

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