Ein leistungsstarker Laser kann Blitzeinschläge umlenken

Auf dem Berg Säntis in der Schweiz installierten Forscher einen leistungsstarken Infrarotlaser neben einem Telekommunikationsmast mit einem Blitzableiter (im Bild), in der Hoffnung, Blitze einzufangen. Der grüne Laser auf diesem Foto wurde verwendet, um den Weg des Infrarotlasers zu markieren.

TRUMPF, Martin Stollberg

Von Maria Temming

16. Januar 2023 um 11:00 Uhr

Wie ein Hightech-Hammer von Thor kann ein leistungsstarker Laser einen Blitz ergreifen und seinen Weg durch den Himmel umleiten.

Bei einem Berggipfel-Experiment hat ein solcher Laser den Blitz in Richtung eines Blitzableiters gebogen, berichten Forscher online am 16. Januar in Nature Photonics. Wissenschaftler haben im Labor schon früher Laser eingesetzt, um Strom zu erzeugen, aber dies ist der erste Beweis dafür, dass die Technik bei Stürmen in der realen Welt funktioniert und eines Tages zu einem besseren Schutz vor Blitzen führen könnte.

Die heute gebräuchlichste Blitzabwehrtechnologie ist der klassische Blitzableiter, ein meterlanger Metallstab, der im Boden verankert ist. Die Leitfähigkeit des Metalls lockt Blitze an, die sonst in der Nähe befindliche Gebäude oder Menschen treffen könnten, und leitet diesen Strom sicher in die Erde. Der von einem Blitzableiter abgeschirmte Bereich ist jedoch durch die Höhe des Blitzableiters begrenzt.

„Wenn Sie eine große Infrastruktur wie einen Flughafen oder eine Abschussrampe für Raketen oder einen Windpark schützen möchten, dann benötigen Sie für einen guten Schutz einen Blitzableiter von Kilometergröße oder Hunderten von Metern“, sagt Aurélien Houard. ein Physiker am Institut Polytechnique de Paris in Palaiseau, Frankreich. Eine so hohe Metallstange wäre unpraktisch. Aber ein Laser könnte so weit reichen, entfernte Blitze abfangen und sie auf bodengestützte Metallstäbe lenken.

Houard und seine Kollegen testeten diese Idee auf dem Säntis im Nordosten der Schweiz. Sie stellten einen Hochleistungslaser in der Nähe eines mit einem Blitzableiter versehenen Telekommunikationsturms auf, der jedes Jahr etwa 100 Mal vom Blitz getroffen wird. Bei Gewittern von Juli bis September 2021 wurde der Laser insgesamt etwa sechs Stunden lang in den Himmel gestrahlt.

Der Laser strahlte etwa 1.000 Mal pro Sekunde kurze, intensive Infrarotlichtstöße auf die Wolken. Diese Folge von Lichtimpulsen riss Elektronen von Luftmolekülen ab und schleuderte einige Luftmoleküle aus dem Weg, wodurch ein Kanal aus geladenem Plasma geringer Dichte entstand. Diese Kombination von Effekten ähnelte dem Freimachen eines Weges durch den Wald und dem Verlegen eines Bürgersteigs und erleichterte den elektrischen Stromfluss entlang dieser Route (SN: 05.03.14). Dadurch wurde für den Blitz ein Weg des geringsten Widerstands durch den Himmel geschaffen.

Houards Team hat seinen Laser so eingestellt, dass er diesen elektrisch leitenden Pfad direkt über der Spitze des Turms bildet. Dadurch konnte der Blitzableiter des Turms einen vom Laser erfassten Blitz abfangen, bevor er bis zur Laserausrüstung hinunterschlug.

Während der Laser eingeschaltet war, wurde der Turm viermal vom Blitz getroffen. Einer dieser Einschläge ereignete sich bei relativ klarem Himmel, sodass zwei Hochgeschwindigkeitskameras den Moment festhalten konnten. Diese Bilder zeigten Blitze, die im Zickzack aus den Wolken herabflogen und dem Laserlicht etwa 50 Meter lang in Richtung des Blitzableiters des Turms folgten.

Um den Weg der drei Blitze zu verfolgen, die sie nicht sehen konnten, untersuchten die Forscher die von den Blitzen ausgesendeten Radiowellen. Diese Radiowellen zeigten, dass die drei Einschläge dem Weg des Lasers viel genauer folgten als andere Einschläge, die stattfanden, als der Laser ausgeschaltet war. Dies deutete darauf hin, dass der Laser auch diese drei Einschläge zum Blitzableiter leitete.

„Das ist eine echte Leistung“, sagt Howard Milchberg, ein Physiker an der University of Maryland in College Park, der nicht an der Arbeit beteiligt ist. „Die Leute versuchen das schon seit vielen Jahren.“ Das Hauptziel der Wissenschaftler, wenn sie den Blitz nach ihrem Willen lenken, bestehe darin, die Sicherheit zu erhöhen, sagt er. Aber „wenn dieses Ding jemals wirklich, wirklich effizient wird und die Wahrscheinlichkeit, eine Entladung zu steuern, weit über das hinausgeht, was es jetzt ist, könnte es möglicherweise sogar zum Aufladen von Dingen nützlich sein.“

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Der Atmosphären- und Weltraumforscher Robert Holzworth ist bei der Vorstellung der Anwendungen vorsichtiger. „Sie zeigten nur eine [leitende] Länge von 50 Metern, und die meisten Blitzkanäle sind kilometerlang“, sagt Holzworth von der University of Washington in Seattle. Daher kann es viel Arbeit erfordern, das Lasersystem so zu skalieren, dass es eine nutzbare Reichweite hat.

Der Einsatz eines Lasers mit höherer Frequenz und höherer Energie könnte seine Reichweite vergrößern, sagt Houard. „Dies ist ein erster Schritt in Richtung eines Blitzableiters mit kilometerweiter Reichweite.“

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Eine Version dieses Artikels erscheint in der Science News-Ausgabe vom 11. Februar 2023.

A. Houard et al. Lasergeführter Blitz. Naturphotonik. Online veröffentlicht am 16. Januar 2023. doi: 10.1038/s41566-022-01139-z.

Maria Temming war zuvor Redakteurin für Naturwissenschaften bei Science News und ist stellvertretende Redakteurin bei Science News Explores. Sie hat einen Bachelor-Abschluss in Physik und Englisch sowie einen Master-Abschluss in wissenschaftlichem Schreiben.

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