Wie man Blitze mit einem Laserstrahl beugt

Die Kontrolle von Blitzen ist ein gewaltiges Ziel, aber genau das hat eine Gruppe europäischer Wissenschaftler geschafft – wenn auch nur für kurze Zeit und mit enormen Kosten. Indem sie einen Laser in ein Schweizer Gewitter feuerten, erhielten sie einen Einblick, wie wir eines Tages mit den gigantischen Kräften der Atmosphäre umgehen könnten.

„Es ist der erste überzeugende Beweis dafür, wie wir Blitze in einer realen Umgebung kontrollieren können.“

„Was ihnen gelungen ist, ist beeindruckend“, sagte Matteo Clerici, Professor für Photonik an der Universität Glasgow, der nicht an der Forschung beteiligt war. „Es ist der erste überzeugende Beweis dafür, wie wir Blitze in einer realen Umgebung kontrollieren können.“

Zu diesem Zweck schuf das Team, dessen Arbeit kürzlich in Nature Photonics veröffentlicht wurde, ein sogenanntes Laserfilament. Ein Glühfaden entsteht durch den selbstfokussierenden Effekt des Lasers, wenn er durch die Luft strömt, die, wie Sonnenlicht, das durch eine konvexe Lupe fällt, seine Kraft konzentriert. Die Energie wird so intensiv, dass sie die Elektronen aus Luftmolekülen „kocht“ oder sie ionisiert, um ein Plasma zu erzeugen – eine Suppe aus überhitzter Materie. Dieser Strahl aus heißem Plasma wird Filament genannt.

Erhalten Sie jeden Freitag die faszinierendsten Wissenschaftsnachrichten der Woche in Ihrem Posteingang.

„Wenn Sie einen sehr leistungsstarken Laser haben und ihn in die Luft schießen, bildet er spontan einen Faden“, sagte Studienkoordinator Aurélien Houard vom Labor für Angewandte Optik der École Polytechnique in Paris.

Filamente stoßen Luftmoleküle aus, ein Prozess, der den Weg zum Trichter des Blitzes frei macht. „Man schafft einen Kanal mit geringerer Dichte“, sagte Houard. „In diesem Kanal kann die [Blitz-]Ladung schneller erfolgen als außerhalb.“ Der Glühfaden wird zu einem Weg mit dem geringsten Widerstand, auf dem sich der Strom vorzugsweise nach Art eines herkömmlichen Blitzableiters aus Metall bewegt.

Das ultimative Ziel besteht laut den Forschern darin, mit dem Gerät Blitze von sensiblen Bereichen wie Flughäfen abzulenken. Aufgrund ihrer weitaus größeren Reichweite könnten Laser einen viel größeren Bereich schützen als metallische Blitzableiter.

Das Ergebnis ist der Höhepunkt von mehr als zwei Jahrzehnten Forschung und Experimentieren.

Um Filamente in der Atmosphäre zu erzeugen, verwenden Forscher Laser, die schnelle Impulse von weniger als einer Billionstel Sekunde Dauer abfeuern. Es ist die Kürze, die diesen Lasern ihre Leistung verleiht, einfach weil es möglich ist, mehr Leistung in die Spitze eines kürzeren Impulses zu packen als in einen kontinuierlichen Strahl. „Die Idee eines kurzen Lasers besteht darin, dass man mit relativ wenig Energie eine sehr hohe Intensität erreichen kann“, sagte Houard.

Frühere Versuche, Blitze zu kontrollieren, scheiterten 2008 in New Mexico und 2011 in Singapur. Houard glaubt, dass das Scheitern teilweise darauf zurückzuführen war, dass die verwendeten Laser nicht schnell genug pulsieren konnten, um einen Kanal mit geringer Dichte im Filament aufrechtzuerhalten.

Diese Laser konnten nur bis zu 10 Mal pro Sekunde pulsieren. Doch in Houards Studie arbeiteten die Forscher mit einem deutschen Unternehmen, TRUMPF Scientific Lasers, zusammen, um einen Laser zu entwickeln, der 1.000 Mal pro Sekunde pulsieren kann. Der Bau des Geräts, das erste seiner Art überhaupt, kostete mehr als 2 Millionen Euro. „Die Entwicklung des Lasers dauerte zwei Jahre, dann hatten wir fast zwei Jahre Testzeit“, sagte Houard.

Der 3-Tonnen-Laser wurde neben einem Telekommunikationsturm auf dem Gipfel des Säntis in der Schweiz installiert, einem Ort, der für häufige Blitzeinschläge bekannt ist. Die Wissenschaftler mussten die Maschine zerlegen, die Teile in einer Gondel transportieren und einen großen Hubschrauber einsetzen, um sie auf dem Berg zu positionieren.

Die Installation dauerte 3 Monate. „Nach so viel Zeit, Mühe und Geld“, sagte Houard, „bestand eine gute Chance, absolut nichts zu sehen. Es war ein ziemlich riskantes Experiment.“

Nachdem der Laser gezündet und in den Himmel gerichtet worden war, wurden die Befürchtungen des Teams jedoch bald zerstreut. Über einen Zeitraum von zwei Monaten zeichneten sie viermal Blitze auf, die dem Weg des Lasers folgten. Einmal war der Himmel so klar, dass Kameras einen Blitz einfangen konnten, der dem Laser etwa 50 Meter (160 Fuß) folgte.

Trotz des Durchbruchs räumt Houard ein, dass es noch lange dauern wird, bis Laser herkömmliche Blitzableiter aus Metall ersetzen können. Zunächst einmal müssen sie sich mit einer Reihe von Sicherheitsaspekten befassen. Und darüber hinaus ist das Gerät unglaublich teuer. „Es wäre hauptsächlich zum Schutz einer sehr großen Infrastruktur verfügbar … wie einer Startrampe oder eines Kernkraftwerks“, sagte Houard.

Die Errungenschaft könnte weitreichende Anwendungen haben, die über den Blitzschutz hinausgehen. „Der Nachweis, dass es möglich ist, ein so großes atmosphärisches Ereignis zu kontrollieren, öffnet die Tür zu anderen Dingen“, sagte Clerici.

Houard ist beispielsweise Teil eines Teams, das Laserfilamente einsetzt, um den Luftwiderstand von Überschallflugzeugen zu verringern, und Kollegen, darunter Jean-Pierre Wolf, der an dieser Studie mitgewirkt hat, haben herausgefunden, wie Laserfilamente Löcher in Wolken stanzen können, was dies ermöglicht für eine unterbrechungsfreie Kommunikation mit Satelliten. Laserfilamente können sogar Regen und Schnee erzeugen.

„So schreitet die Wissenschaft voran. Jemand zeigt die Möglichkeit auf, und sobald man die Möglichkeit hat, wird es Chancen geben.“

„Mir scheint, dass diese Arbeit noch recht grundlegend ist“, sagte Miro Erkintalo, ein Laserphysiker an der University of Auckland, der nicht an der Studie beteiligt war. „So schreitet die Wissenschaft voran. Jemand zeigt die Möglichkeit auf, und sobald man die Möglichkeit hat, wird es Chancen geben.“

„Ich denke, der menschliche Verstand ist nicht besonders gut darin, das nächste Jahrzehnt abzuschätzen“, sagte er. „Die meisten Pionierwissenschaftler sind diejenigen, die Dinge tun, weil sie wissen wollen, ob sie es können. Die Chancen werden sich erst später ergeben.“

–Bill Morris, Wissenschaftsjournalist