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Laser-Blitzableiter: Die Zukunft ist da!

So wie der Laser für den Fortschritt in der Medizin von entscheidender Bedeutung war, ist er nun auch für die Atmosphärenforschung unverzichtbar. In diesem Fall im Zusammenhang mit Gewittern, die Blitze auf der Erdoberfläche erzeugen.

Laser abgelenkte Strahlen
Blitze sind für erhebliche Schäden und Todesfälle verantwortlich. Quelle: Houard et al. 2023.

Stromausfälle, Waldbrände, Infrastrukturschäden und Personenschäden können die Folge von Blitzeinschlägen sein. Nach Satellitendaten wird die Gesamtblitzrate weltweit auf 40 bis 120 Blitze pro Sekunde geschätzt. Die Beherrschung dieser meteorologischen Ereignisse ist für viele seit Jahrzehnten ein Traum.

In der Studie "Laser-guided lightning", die in der Fachzeitschrift Nature Photonics veröffentlicht wurde, wird erstmals der Nachweis von laserinduzierten Filamenten erbracht. Diese Filamente werden durch kurze, intensive, auf den Himmel gerichtete Laserpulse erzeugt und wären in der Lage, Blitzentladungen über große Entfernungen zu leiten.

Die Zahl der dokumentierten Todesfälle durch Blitzschlag übersteigt 4.000, und die damit verbundenen Schäden belaufen sich jedes Jahr auf mehrere Milliarden Dollar.

Das Forscherteam sagt: "Wir glauben, dass dieser experimentelle Durchbruch zu Fortschritten im Blitzschutz und in der Blitzphysik führen wird. Eine enorme Herausforderung, die weltweit von Nutzen sein wird.

Der Blitzableiter hat uns fast 300 Jahre lang geschützt.

Der am weitesten verbreitete äußere Schutz gegen direkte Blitzeinschläge ist nach wie vor der Blitzableiter, eine Erfindung, die Benjamin Franklin im 18. Jahrhundert zugeschrieben wird.

Blitze und Blitzeinschläge in ein Gebäude bei Nacht
Der Blitzableiter ist ein meteorologisches und menschliches Vermächtnis, das uns der Universalgelehrte Benjamin Franklin hinterlassen hat.

Der Blitzableiter besteht aus einem spitzen Mast, der mit der Erde verbunden ist und dessen Hauptfunktion darin besteht, Gebäude und ihre unmittelbare Umgebung zu schützen, indem er einen bevorzugten Einschlagspunkt für Blitze darstellt. Auf diese Weise wird der elektrische Strom sicher zur Erde geleitet.

Strahlen mit starken Laserpulsen ablenken

Während des Sommers 2021 (nördliche Hemisphäre) wurde eine Versuchskampagne auf dem Säntis im Nordosten der Schweiz durchgeführt. Dort wurden ein Terawatt-Laser (eine Billion Watt) mit hoher Repetitionsrate und ein Turm installiert. Das Prinzip besteht darin, kurze, intensive Laserimpulse in die Wolken zu senden.

Obwohl die Strahlforschung seit mehr als 20 Jahren sehr aktiv ist, ist dies das erste Ergebnis, das lasergesteuerte Strahlen experimentell nachweist.

Bei dem Versuch wurden zwei Hochgeschwindigkeitskameras separat installiert. Sie zeichneten die Führung eines negativen (nach oben gerichteten) Strahls über eine Entfernung von 50 Metern auf.

Bild von zwei Kameras, die einen Blitzeinschlag aufnehmen.
Am 24. Juli 2021 aufgezeichnete Blitze in (a) Schwaegalp (b) Kronberg. Quelle: Houard et al. 2023.

Die Führung negativer Strahlen durch Laserfäden konnte in 3 weiteren Fällen bestätigt werden. Dieser Prozess wurde mit interferometrischen Messungen (eine Technik, die elektromagnetische Wellen kombiniert) bei sehr hohen Frequenzen durchgeführt.

Mit viel Geduld erzielte Ergebnisse

Zwischen dem 21. Juli und dem 30. September 2021 war der Laser während mehr als 6 Stunden Sturmaktivität in Betrieb. Das meteorologische Ereignis ereignete sich in einem Umkreis von 3 km um den Kampagnenstandort.

Der Turm wurde von mindestens 16 Blitzen getroffen, von denen vier während der Laseraktivität einschlugen. Alle vier aufgezeichneten Laserereignisse waren mit positiven Blitzen verbunden, die die Spitze des Turms mit der Wolke verbanden. Alle diese Blitze wurden nach oben abgelenkt.

Schließlich kann die erwähnte Forschung den Weg für neue Anwendungen in der Atmosphäre ebnen. Außerdem ist es ein wichtiger Schritt in der Entwicklung des laserbasierten Blitzschutzes. Die Begünstigten könnten Flughäfen, Startrampen oder kolossale Infrastrukturen sein.