Ein starker Laser kann Blitzeinschläge umlenken

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

In einem Gipfelexperiment, bei dem ein solcher Laser einen Blitz in Richtung eines Blitzableiters lenkte, berichten Forscher am 16. Januar online Naturphotonik. Wissenschaftler haben im Labor bereits Laser verwendet, um Elektrizität zu erzeugen, aber dies ist die erste Demonstration, dass die Technik bei realen Stürmen funktioniert und eines Tages zu einem besseren Schutz vor Blitzen führen könnte.

Die heute am weitesten verbreitete Anti-Blitz-Technologie ist der klassische Blitzableiter, ein meterlanger Metallstab, der im Boden verwurzelt ist. Die Leitfähigkeit des Metalls lockt Blitze an, die andernfalls nahegelegene Gebäude oder Menschen treffen könnten, und leitet diesen Strom sicher in die Erde. Die von einem Blitzableiter abgeschirmte Fläche ist jedoch durch die Höhe des Blitzableiters begrenzt.

„Wenn Sie eine große Infrastruktur schützen wollen, wie einen Flughafen oder eine Startrampe für Raketen oder einen Windpark … dann bräuchten Sie für einen guten Schutz einen Blitzableiter von Kilometergröße oder Hunderten von Metern“, sagt Aurélien Houard. Physiker am Institut Polytechnique de Paris in Palaiseau, Frankreich. Eine so hohe Metallstange wäre unpraktisch. Aber ein Laser konnte so weit reichen, entfernte Blitze abfangen und sie zu bodengestützten Metallstäben leiten.

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

Der Laser schoss etwa 1.000 Mal pro Sekunde kurze, intensive Infrarotlichtstöße auf die Wolken. Dieser Zug von Lichtimpulsen riss Elektronen von Luftmolekülen ab und schlug einige Luftmoleküle aus dem Weg, wodurch ein Kanal aus geladenem Plasma mit geringer Dichte entstand. Ähnlich wie das Freimachen eines Weges durch den Wald und das Verlegen von Bürgersteigen erleichtert diese Kombination von Effekten das Fließen von elektrischem Strom entlang dieser Route (SN: 05.03.14). Das schuf einen Weg des geringsten Widerstands, dem Blitze durch den Himmel folgen konnten.

Houards Team stimmte seinen Laser so ab, dass er diesen elektrisch leitenden Pfad direkt über der Spitze des Turms bildete. Dadurch konnte der Blitzableiter des Turms einen Blitz abfangen, der vom Laser erfasst wurde, bevor er den ganzen Weg hinunter zur Laserausrüstung schoss.

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

Um die Pfade der drei Blitze zu verfolgen, die sie nicht sehen konnten, betrachteten die Forscher die vom Blitz ausgestrahlten Funkwellen. Diese Radiowellen zeigten, dass die drei Schläge dem Weg des Lasers viel genauer folgten als andere Schläge, die stattfanden, als der Laser ausgeschaltet war. Dies deutete darauf hin, dass der Laser auch diese drei Schläge zum Blitzableiter leitete.

„Das ist eine echte Leistung“, sagt Howard Milchberg, Physiker an der University of Maryland in College Park, der nicht an der Arbeit beteiligt war. „Die Leute versuchen das schon seit vielen Jahren.“ Das Hauptziel der Wissenschaftler, Blitze nach ihrem Willen zu lenken, sei die Erhöhung der Sicherheit, 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 nützlich sein, um Dinge aufzuladen.“

Der Atmosphären- und Weltraumwissenschaftler Robert Holzworth ist vorsichtiger bei der Vorstellung der Anwendungen. „Sie zeigten nur 50 Meter [guiding] Länge, und die meisten Blitzkanäle sind kilometerlang“, sagt Holzworth von der University of Washington in Seattle. Die Skalierung des Lasersystems auf eine nutzbare Reichweite kann also viel Arbeit erfordern.

Die Verwendung eines Lasers mit höherer Frequenz und höherer Energie könnte die Reichweite erweitern, sagt Houard. „Dies ist ein erster Schritt in Richtung eines Blitzableiters mit Kilometerreichweite.“