Bliksem afbuigen met laser

Men is erin geslaagd bliksem te geleiden met behulp van een krachtige laser. De staaf, die op de top van de Zwitserse berg Säntis is geïnstalleerd, kan bliksem over tientallen meters afbuigen, zelfs bij slecht weer.

Bosbranden, stroomonderbrekingen en beschadigde infrastructuur… bliksem fascineert en vernietigt in gelijke mate en veroorzaakt wereldwijd maar liefst 24.000 doden per jaar, om nog maar te zwijgen van de wijdverbreide vernietiging. Zelfs vandaag de dag is de bliksemafleider, uitgevonden door Benjamin Franklin, de beste vorm van bescherming. Toch bieden die niet altijd optimale bescherming voor gevoelige locaties.

Een consortium bestaande uit de Universiteit van Genève, École Polytechnique (Parijs), EPFL, de School of Engineering and Management HEIG-VD en TRUMPF Scientific Lasers (München) heeft een veelbelovend alternatief ontwikkeld: de Laser Lightning Rod of LLR. Na het testen van de LLR op de top van de berg Säntis in Appenzell, hebben de onderzoekers nu het bewijs van de haalbaarheid ervan. De staaf kan bliksem over tientallen meters afbuigen, zelfs bij slecht weer.

De resultaten van dit onderzoek zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nature Photonics.

Met intense laserpulsen worden kanalen van geïoniseerde lucht gegenereerd, die elektrisch geleidend is. Hierdoor kan de LLR bliksem geleiden langs zijn straal. Als hij bovenop een traditionele bliksemafleider staat, kan hij zowel de hoogte als het oppervlak van het gebied dat hij beschermt, vergroten.

Het LLR-project omvatte de ontwikkeling van een nieuwe laser met een gemiddeld vermogen van één kilowatt, één Joule per puls en een duur per puls van één picoseconde. De staaf, ontworpen door Trumpf Scientific Lasers, is 1,5 m breed, 8 m lang en weegt meer dan 3 ton.

100 inslagen per jaar

De terawattlaser van de LLR werd getest op de top van Säntis (op een hoogte van 2.502 m) in de buurt van een 124 m hoge telecommunicatietoren van Swisscom en geïnstrumenteerd door EPFL en HEIG-VD / HES-SO om bliksem waar te nemen. De toren is een van Europa’s bliksem-hotspots: er zijn zo’n 100 inslagen per jaar.

De EPFL-bijdrage aan het project kwam van het Electromagnetic Compatibility Lab (EMC). De onderzoekers bestudeerden het ontstaan van opwaartse bliksemontladingen en zetten de experimentele faciliteiten voor bliksemwaarneming in, in samenwerking met de HEIG-VD/HES-SO. Instrumentatie omvatte bliksemstroommetingen op de toren, elektromagnetische veldantennes, röntgensensoren, hogesnelheidsvideocamera’s en een interferometrisch systeem om de bliksemontlading in beeld te brengen.

“Dit was een opmerkelijke experimentele prestatie vanwege de veelheid aan meetstations in bergachtig gebied met barre weersomstandigheden, die allemaal tijdsynchronisatie, monitoring en controlemogelijkheden vereisten”, zegt onderzoeksleider Farhad Rachidi. “Door deze gelijktijdige waarnemingen konden we de geleiding van de bliksem bevestigen met behulp van de krachtige laser.”

Luchtruim afgesloten voor vliegverkeer

Telkens als er tussen juni en september 2021 stormactiviteit werd voorspeld, werd de laser geactiveerd. Het gebied moest vooraf worden afgesloten voor vliegverkeer. “Het doel was om te zien of er een verschil was met of zonder de laser”, legt Aurélien Houard uit, onderzoeker bij het Laboratoire d’Optique Appliquée (LOA) en coördinator van het project. “We vergeleken de gegevens die werden verzameld toen het laserfilament boven de toren werd geproduceerd en toen de toren op natuurlijke wijze door de bliksem werd getroffen”.

Het werkt, zelfs door wolken

Het kostte bijna een jaar om de kolossale hoeveelheid verzamelde gegevens te analyseren. Uit deze analyse blijkt nu dat de LLR-laser bliksem effectief kan geleiden. “Vanaf de eerste blikseminslag met behulp van de laser ontdekten we dat de ontlading de straal bijna 60 meter kon volgen voordat hij de toren bereikte, wat betekent dat de straal van het beschermingsoppervlak toenam van 120 m naar 180 m”, legt Jean-Pierre uit. Wolf, UNIGE-hoogleraar natuurkunde en de laatste auteur van het onderzoek.

De data-analyse toont ook aan dat de LLR, in tegenstelling tot andere lasers, zelfs werkt in moeilijke weersomstandigheden – zoals mist (vaak te vinden op de top van Säntis) – omdat hij door de wolken heen dringt. Deze uitkomst was voorheen alleen waargenomen in het laboratorium. De volgende stap voor het consortium zal zijn om de actiehoogte van de laser nog verder te vergroten. De langetermijndoelstelling omvat onder meer het gebruik van de LLR om een bliksemafleider van 10 m met 500 m te verlengen.