Einem europäischen Konsortium unter der Leitung der Universität Genf, der École Polytechnique (Paris), der EPFL, der hes-so und TRUMPF ist es gelungen, Blitze mit Hilfe eines Hochleistungslasers auf dem Gipfel des Säntis (CH) zu lenken.
Waldbrände, Stromausfälle, Schäden an Anlagen: Blitze sind faszinierend, aber auch zerstörerisch. Bis heute ist der von Benjamin Franklin erfundene Blitzableiter das beste Mittel, um sich vor Blitzen zu schützen. Allerdings garantiert er nicht immer einen optimalen Schutz für sensible Standorte. Ein europäisches Konsortium aus der Universität Genf, der École Polytechnique (Paris), der EPFL, der hes-so und TRUMPF scientific lasers (München) hat eine vielversprechende Alternative entwickelt: den Laser-Blitzableiter "LLR" für "Laser Lightning Rod". Nachdem sie ihn auf dem Gipfel des Säntis (Schweiz) getestet hatten, haben die Forscher nun den Beweis für seine Machbarkeit erbracht. Er ist in der Lage, Blitze über mehrere Dutzend Meter abzulenken, selbst bei schlechtem Wetter. Die Ergebnisse sind in der Zeitschrift Nature Photonics zu finden.
Blitze sind eines der extremsten Naturphänomene. Der Blitz ist eine plötzliche elektrostatische Entladung mit Millionen von Volt und Hunderttausenden von Ampere und kann in einer Wolke, zwischen mehreren Wolken, zwischen einer Wolke und dem Boden oder umgekehrt beobachtet werden. Sie ist faszinierend, aber auch zerstörerisch und verursacht jährlich bis zu 24 000 Todesfälle. Außerdem verursacht er enorme Schäden in Milliardenhöhe, von Stromausfällen über Waldbrände bis hin zu diversen Infrastrukturschäden.
Seit Benjamin Franklins Erfindung des Blitzableiters im Jahr 1752 - ein leitender, spitzer Metallmast, der mit dem Boden verbunden ist - haben sich die Blitzschutzsysteme kaum verändert. Der traditionelle Blitzableiter ist bis heute der wirksamste äußere Schutz. Er schützt eine Fläche, deren Radius ungefähr seiner Höhe entspricht. So sichert ein 10 m hoher Blitzableiter eine Fläche mit einem Radius von 10 m. Da sich die Höhe der Masten jedoch nicht unendlich ausdehnen lässt, ist dieses System nicht optimal, um sensible Standorte zu schützen, die ein großes Gebiet einnehmen, wie z. B. einen Flughafen, einen Windpark oder ein Atomkraftwerk.
Luft leitfähig machen
Ein europäisches Konsortium unter der Leitung der Universität Genf und der École Polytechnique (Paris) - in enger Partnerschaft mit der EPFL (EMC Lab, Prof. Farhad Rachidi), TRUMPF scientific lasers, ArianeGroup, der Firma AMC (Pr. A. Mysyrowicz) und der Haute école d’ingénierie et de gestion du canton de Vaud (hes-so, Prof. Marcos Rubinstein) - arbeitet an einem Laser-Blitzableiter-System mit dem Namen ’Laser Lightning Rod’ oder ’LLR’. Durch die Erzeugung von Kanälen aus ionisierter Luft konnte der Blitz entlang seines Strahls geleitet werden. Wenn das LLR-System in die Verlängerung eines herkömmlichen Blitzableiters gerichtet wird, könnte es dessen Höhe und damit die Fläche, die es schützt, virtuell vergrößern.
Wenn Laserpulse mit sehr hoher Leistung in die Atmosphäre gesendet werden, bilden sich innerhalb des Strahls Filamente aus sehr intensivem Licht. Diese Filamente ionisieren die in der Luft vorhandenen Stickstoff- und Sauerstoffmoleküle, die daraufhin frei bewegliche Elektronen freisetzen. Diese ionisierte Luft, das sogenannte ’’Plasma’’, wird elektrisch leitfähig", erklärt Jean-Pierre Wolf, ordentlicher Professor an der Abteilung für angewandte Physik der Physikabteilung der naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Genf und letzter Autor der Studie.
Tests in 2500 m Höhe
Das Projekt ’LLR’ erforderte die Entwicklung eines neuen Lasers mit einer durchschnittlichen Leistung von einem Kilowatt, einem Joule pro Puls und einer Dauer pro Puls von einer Pikosekunde. Er ist 1,5 Meter breit, 8 Meter lang und wiegt über 3 Tonnen. Er wurde von der Firma TRUMPF scientific lasers entwickelt. Der Terawatt-Laser wurde auf dem Gipfel des Säntis (Appenzell, Schweiz, 2502 m) getestet, der bereits von der EPFL und der HEIG-VD / HES-SO für die Beobachtung von Blitzen instrumentiert wurde. Er wurde auf einen 124 m hohen Sendeturm des Betreibers Swisscom fokussiert, der mit einem traditionellen Blitzableiter ausgestattet ist. Es handelt sich um eines der am stärksten von Blitzeinschlägen betroffenen Bauwerke in Europa. Die Hauptschwierigkeit bestand darin, dass es sich um eine Kampagne in Originalgröße handelte. Wir mussten eine Umgebung vorbereiten, in der wir den Laser installieren und schützen konnten’, sagt Pierre Walch, Doktorand am Laboratoire d’Optique Appliquée (LOA), einer gemeinsamen Forschungseinheit von CNRS, École polytechnique, ENSTA Paris, Institut Polytechnique de Paris, Palaiseau, Frankreich.
Der Laser wurde dann bei jeder Vorhersage von Gewitteraktivität zwischen Juni und September 2021 aktiviert. Zuvor musste das Gebiet für den Flugverkehr gesperrt werden. Das Ziel war es, zu beobachten, ob es einen Unterschied mit oder ohne Laser gibt. Wir haben also die Daten verglichen, die gesammelt wurden, wenn der Laserfaden über dem Turm erzeugt wurde, und wenn der Turm auf natürliche Weise vom Blitz getroffen wurde’, erklärt Aurélien Houard, Forscher am Laboratoire d’Optique Appliquée (LOA) und Koordinator des Projekts.
Effektiv auch durch Wolken
Es dauerte fast ein Jahr, um die kolossale Menge an gesammelten Daten zu analysieren. Diese Analyse zeigt nun, dass der ’LLR’-Laser in der Lage ist, Blitze effektiv zu lenken. Wir haben bereits beim ersten Blitzereignis mit Laser festgestellt, dass die Entladung dem Strahl fast 60 Meter folgen konnte, bevor sie den Turm erreichte, wodurch sich der Radius der Schutzfläche von 120m auf 180m vergrößerte", freut sich Jean-Pierre Wolf. Die Datenanalyse zeigt auch, dass der ’LRR’ im Gegensatz zu anderen Lasern auch bei schwierigen Wetterbedingungen - wie dem Nebel, der auf dem Gipfel des Säntis sehr stark ist und den Strahl stoppen kann - funktioniert, indem er die Wolken buchstäblich durchbricht. Dieses Ergebnis war bis dahin nur im Labor beobachtet worden. Der nächste Schritt des Konsortiums besteht darin, die Wirkungshöhe des Lasers weiter zu erhöhen. Das Ziel ist es, mit dem LLR einen 10 m hohen Blitzableiter um 500 m zu verlängern.
16. Jan. 2023