Grazie a un laser ad alta potenza installato sulla cima del Säntis (CH), un consorzio europeo guidato dall’Università di Ginevra, dall’École polytechnique (Parigi), dall’EPFL, da hes-so e da TRUMPF è riuscito a guidare i fulmini.
Incendi boschivi, interruzioni di corrente, danni agli impianti: i fulmini affascinano ma sono anche distruttivi. Il parafulmine inventato da Benjamin Franklin è ancora il modo migliore per proteggersi dai fulmini. Tuttavia, non sempre garantisce una protezione ottimale dei siti sensibili. Un consorzio europeo che comprende l’Università di Ginevra, l’École Polytechnique (Parigi), l’EPFL, l’hes-so e i laser scientifici TRUMPF (Monaco) ha sviluppato un’alternativa promettente: il parafulmine laser "LLR". Dopo averla testata sulla cima del Säntis (Svizzera), i ricercatori ne hanno dimostrato la fattibilità. È in grado di deviare i fulmini per diverse decine di metri, anche in caso di maltempo. Questi risultati sono pubblicati sulla rivista Nature Photonics.
Il fulmine è uno dei fenomeni naturali più estremi. Una scarica elettrostatica improvvisa di milioni di volt e centinaia di migliaia di ampere, che può essere osservata all’interno di una nube, tra più nubi, tra una nube e il suolo o viceversa. Affascinante ma anche distruttivo, causa fino a 24.000 morti all’anno. Inoltre, provoca danni per miliardi di dollari, dalle interruzioni di corrente agli incendi boschivi, fino ai danni alle infrastrutture.
Da quando Benjamin Franklin inventò il parafulmine nel 1752 - un palo metallico appuntito collegato a terra - i sistemi di protezione dai fulmini sono cambiati poco. Il parafulmine tradizionale rimane ancora oggi la protezione esterna più efficace. Protegge un’area il cui raggio è approssimativamente pari alla sua altezza. Pertanto, un parafulmine alto 10 metri proteggerà un’area di 10 metri di raggio. Tuttavia, poiché l’altezza dei pali non può essere estesa all’infinito, questo sistema non è ottimale per la protezione di siti sensibili che occupano una vasta area, come un aeroporto, un parco eolico o una centrale nucleare.
Rendere l’aria conduttiva
Per ovviare a questo problema, un consorzio europeo guidato dall’Università di Ginevra e dall’École Polytechnique (Parigi) - in stretta collaborazione con l’EPFL (EMC Lab, Prof. Farhad Rachidi), TRUMPF scientific lasers, ArianeGroup, AMC (Prof. A. Mysyrowicz) e la Haute école ingénierie et gestion du canton Vaud (hes-so, Prof. Marcos Rubinstein) - sta lavorando a un sistema di parafulmini laser chiamato "Lightning". A. Mysyrowicz) e la Haute école d’ingénierie et de gestion du canton de Vaud (hes-so, Pr. Marcos Rubinstein) - sta lavorando a un sistema di parafulmini laser chiamato "Laser Lightning Rod" o "LLR". Generando canali di aria ionizzata, ha permesso di guidare i fulmini lungo il loro raggio. Puntato sul prolungamento di un parafulmine tradizionale, potrebbe virtualmente aumentarne l’altezza e quindi la superficie dell’area che protegge.
Quando impulsi laser ad altissima potenza vengono emessi nell’atmosfera, all’interno del fascio si formano filamenti di luce molto intensa. Questi filamenti ionizzano le molecole di azoto e ossigeno presenti nell’aria, che rilasciano elettroni liberi di muoversi. Quest’aria ionizzata, chiamata ’plasma’, diventa un conduttore elettrico", spiega Jean-Pierre Wolf, professore ordinario presso il Dipartimento di Fisica Applicata della Sezione di Fisica della Facoltà di Scienze dell’Università di Ginevra e ultimo autore dello studio.
Test a 2500 m di altitudine
Il progetto "LLR" richiedeva lo sviluppo di un nuovo laser con una potenza media di un kilowatt, un Joule per impulso e una durata dell’impulso di un picosecondo. È larga 1,5 metri, lunga 8 metri e pesa oltre 3 tonnellate. È stato progettato dall’azienda di laser scientifici TRUMPF. Testato sulla cima del Säntis (Appenzello, Svizzera, 2502 m), già strumentata dall’EPFL e dall’HEIG-VD / HES-SO per l’osservazione dei fulmini, questo laser da un terawatt è stato puntato sopra una torre trasmittente di 124 m dell’operatore Swisscom, dotata di un parafulmine tradizionale. È una delle strutture più fulminate d’Europa. La difficoltà principale era che si trattava di una campagna su larga scala. Abbiamo dovuto preparare un ambiente in cui poter installare e proteggere il laser", spiega Pierre Walch, dottorando presso il Laboratoire d’Optique Appliquée (LOA), un’unità di ricerca congiunta del CNRS, dell’École Polytechnique, dell’ENSTA di Parigi e dell’Institut Polytechnique de Paris, Palaiseau, Francia.
Il laser è stato poi attivato durante ogni previsione di attività temporalesca tra giugno e settembre 2021. L’area è stata preventivamente chiusa al traffico aereo. L’obiettivo era quello di verificare se ci fosse una differenza con o senza il laser. Abbiamo quindi confrontato i dati raccolti quando il filamento laser è stato prodotto sopra la torre e quando la torre è stata colpita da un fulmine in modo naturale", spiega Aurélien Houard, ricercatore del Laboratoire d’Optique Appliquée (LOA) e coordinatore del progetto.
Efficace anche attraverso le nuvole
Ci è voluto quasi un anno per analizzare l’enorme quantità di dati raccolti. Questa analisi dimostra che il laser "LLR" è in grado di guidare efficacemente i fulmini. Abbiamo visto, dal primo evento di fulmine con il laser, che la scarica poteva seguire il raggio per quasi 60 metri prima di raggiungere la torre, aumentando così il raggio della superficie protettiva da 120 a 180 metri", afferma Jean-Pierre Wolf. L’analisi dei dati mostra anche che l’"LRR", a differenza di altri laser, funziona anche in condizioni meteorologiche difficili - come la nebbia, molto presente sulla vetta del Säntis e in grado di bloccare il raggio - perforando letteralmente le nuvole. Questo risultato era stato osservato in precedenza solo in laboratorio. Il prossimo passo del consorzio è quello di aumentare ulteriormente l’altezza d’azione del laser. L’obiettivo finale è quello di estendere un parafulmine di 10 metri per 500 metri utilizzando l’"LLR".
16 gennaio 2023
