Fisica

Quando Benjamin Franklin lanciò il suo famoso aquilone in un cielo tempestoso nel 1752, fornì un percorso preferenziale affinché la carica accumulata nelle nuvole raggiungesse il suolo. Un aggiornamento del 21° secolo sull'aquilone di Franklin è un laser sparato nell'atmosfera. Di stanza su una montagna svizzera, i ricercatori hanno dimostrato che il raggio di un laser ad alta potenza fornisce un percorso preferenziale per i fulmini [1]. Un sistema laser di questo tipo potrebbe un giorno fornire protezione dai fulmini a strutture sensibili, come aeroporti, piattaforme di lancio di razzi e parchi eolici.

Il danno causato dai fulmini, che si stima causino danni per miliardi di dollari all’anno negli Stati Uniti, può essere ridotto controllando dove va a finire la scarica elettrica. "Attualmente l'unica protezione disponibile contro i fulmini è un classico parafulmine Franklin", afferma Aurélien Houard, membro del gruppo di ricerca dell'École Polytechnique di Parigi. Queste alte aste metalliche sono buoni conduttori che forniscono un percorso di minima resistenza dalle nuvole alla terra. Ma questa protezione è garantita solo agli oggetti entro una certa distanza dall'asta, data all'incirca dall'altezza dell'asta. Costruire un'asta più alta proteggerebbe un'area più ampia, ma questa soluzione non è sempre pratica.

"L'idea di utilizzare un laser è quella di creare un'estensione di un'asta metallica che potrebbe, in teoria, essere alta diverse centinaia di metri o un chilometro", afferma Houard. A differenza di una struttura metallica, la “barra” laser può essere accesa solo quando il cielo diventa minaccioso.

La guida dei fulmini basata sul laser è stata proposta per la prima volta nel 1974 e diversi esperimenti hanno confermato il concetto di base in un ambiente di laboratorio. Tuttavia, dimostrare il sistema sul campo si è rivelato più difficile. Alcuni test sono stati sfortunati e non si è mai verificata una tempesta abbastanza vicina al laser. "I fulmini sono molto imprevedibili", afferma Houard. "Potrebbe essere necessario attendere molto tempo per vedere uno sciopero." E vedere solo un evento non è sufficiente: i ricercatori devono costruire statistiche per essere sicuri che il laser abbia un effetto notevole.

Per aumentare le loro possibilità, Houard e i suoi colleghi hanno eseguito il loro esperimento laser in uno dei luoghi più soggetti a fulmini d’Europa: il monte Säntis, sul versante nord-orientale della Svizzera. Questa montagna alta 2500 m (8000 piedi) è sormontata da una torre delle telecomunicazioni alta 30 piani che viene colpita dai fulmini circa 100 volte all'anno. Durante l'estate del 2021, Houard e colleghi hanno installato sulla montagna un laser da terawatt delle dimensioni di un'auto con l'obiettivo di testare se i percorsi dei fulmini potessero essere guidati dalla luce laser.

All’inizio della loro campagna, i ricercatori si sono affidati alle previsioni del tempo per essere avvisati dell’avvicinarsi dei temporali, ma le previsioni erano spesso sbagliate e il team ha perso alcune opportunità. "Abbiamo deciso di dormire sulla montagna per essere pronti ad avviare il laser se nella notte fossero caduti dei fulmini", dice Houard. Dovevano anche allertare il vicino aeroporto ogni volta che intendevano sparare con il laser, poiché c'era il rischio che la luce potesse danneggiare gli occhi delle persone a bordo degli aerei che volavano sopra di loro.

Quando le condizioni meteorologiche erano mature, il team ha puntato il laser verso il cielo e ha emesso impulsi di picosecondi con una frequenza di ripetizione di 1 kHz. Concentrando la luce laser infrarossa in un punto vicino alla sommità della torre, i ricercatori hanno raggiunto l'intensità necessaria per produrre un effetto ottico non lineare in cui la luce laser si divide in molteplici e sottili “filamenti” che si propagano senza espandersi (vedi Viewpoint : Guida d'onda aerea dei raggi laser “Donut”). Questi flussi ad alta intensità riscaldano l’aria, creando canali di gas ionizzato, o “plasma”, che possono essere lunghi fino a 50 metri. Tali canali del plasma sono conduttori, come un’asta metallica, quindi si prevede che offrano un percorso preferenziale per i fulmini.

Nel corso di due mesi, i ricercatori hanno utilizzato il laser per un totale di sei ore. Durante quel periodo la torre fu colpita da 16 fulmini. Sulla base di osservazioni visive e radio, il team ha scoperto che quattro di questi colpi erano guidati dal laser per una parte delle loro traiettorie. Le foto di uno di questi eventi mostrano chiaramente un fulmine con una sezione diritta che corrispondeva al canale di plasma di 50 metri proveniente dal laser. Gli altri tre fulmini sono stati misurati con antenne poste sulla montagna che registrano le emissioni radio delle scariche dei fulmini. L'analisi di questi dati radio da parte del team ha rivelato che, ancora una volta, questi colpi erano allineati con il percorso del laser.