Отражение молнии лазерным громоотводом
Европейский консорциум, состоящий из Женевского университета (UNIGE), Политехнической школы (Париж), EPFL, hes-so и научных лазеров TRUMPF (Мюнхен), разработал многообещающую альтернативу: лазерный громоотвод или LLR. После тестирования LLR на вершине Сантис (в Швейцарии) у исследователей теперь есть доказательства его осуществимости. Стержень даже в плохую погоду может отразить молнию на несколько десятков метров. Результаты этого исследования опубликованы в журнале Nature Photonics. После первого случая молнии с использованием лазера было обнаружено, что разряд может следовать за лучом почти на 60 метров, прежде чем достигнет башни, а это означает, что радиус защитной поверхности увеличился со 120 м до 180 м. Долгосрочная цель включает использование LLR для удлинения 10-метрового громоотвода на 500 м.
В ходе испытаний, проведенных на вершине Сентиса, ученые обнаружили, что разряд может следовать за лазерным лучом несколько десятков метров, прежде чем достигнет башни оператора Swisscom.
Предоставлено: Ксавье Равине - UNIGE
Лесные пожары, отключение электроэнергии и поврежденная инфраструктура… молнии в равной мере очаровывают и разрушают, вызывая до 24 000 смертей в год во всем мире, не говоря уже о широкомасштабных разрушениях. Даже сегодня громоотвод, изобретенный Бенджамином Франклином, является лучшей формой защиты. И все же эти стержни не всегда обеспечивают оптимальную защиту чувствительных участков.
Европейский консорциум, состоящий из Женевского университета (UNIGE), Политехнической школы (Париж), EPFL, hes-so и научных лазеров TRUMPF (Мюнхен), разработал многообещающую альтернативу: лазерный громоотвод или LLR. После тестирования LLR на вершине Сантис (в Швейцарии) у исследователей теперь есть доказательства его осуществимости. Стержень даже в плохую погоду может отразить молнию на несколько десятков метров. Результаты этого исследования опубликованы в журнале Nature Photonics.
Молния — одно из самых экстремальных явлений природы. Резкий электростатический разряд в миллионы вольт и сотни тысяч ампер, молнии можно наблюдать в одном облаке, между несколькими облаками, между облаком и землей и наоборот. Увлекательная и разрушительная молния уносит до 24 000 жизней в год. От отключения электроэнергии и лесных пожаров до поврежденной инфраструктуры, это также приводит к обширным разрушениям на общую сумму в несколько миллиардов долларов.
Устройства молниезащиты мало изменились с 1752 года, когда Бенджамин Франклин изобрел громоотвод — остроконечную проводящую мачту из металла, соединенную с землей. Традиционный стержень и по сей день остается наиболее эффективной формой внешней защиты: он защищает поверхность с радиусом, более или менее равным его высоте.
Таким образом, стержень высотой 10 м защитит территорию радиусом 10 м. Однако, поскольку высота мачт не может быть увеличена без ограничений, это не оптимальная система для защиты важных объектов на большой территории, таких как аэропорт, ветряная электростанция или атомная электростанция.
Сделать воздух проводящим
Европейский консорциум во главе с UNIGE и École Polytechnique (Париж) искал способ решения этой проблемы в тесном сотрудничестве с EPFL (лаборатория EMC, проф. Фархад Рашиди), научными лазерами TRUMPF, ArianeGroup, AMC (проф. А. Мысырович). и Школа инженерии и менеджмента (он-так, профессор Маркос Рубинштейн).
Он работал над устройством, известным как Laser Lightning Rod (LLR). Создавая каналы ионизированного воздуха, LLR использовался для направления молнии по ее лучу. Выступая вверх от традиционного громоотвода, он может увеличить свою высоту практически так же, как и поверхность защищаемой области.
«Когда в атмосферу излучаются очень мощные лазерные импульсы, внутри луча образуются нити очень интенсивного света», — начинает Жан-Пьер Вольф, профессор кафедры прикладной физики секции физики факультета естественных наук UNIGE, автор исследования. «Эти нити ионизируют молекулы азота и кислорода в воздухе, которые затем высвобождают электроны, которые могут свободно двигаться», — продолжает профессор Вольф. «Этот ионизированный воздух, называемый «плазмой», становится электрическим проводником».
Изображение телекоммуникационной башни Сентис (Швейцария) высотой 124 м. Также показан путь лазера, записанный с его второй гармоникой на длине волны 515 нм.
Предоставлено: Nature Photonics (2023). DOI: 10.1038/s41566-022-01139-z
Испытания на высоте 2500 м
Проект LLR означал, что новый лазер должен был быть разработан со средней мощностью в один киловатт, один джоуль на импульс и длительностью на импульс в одну пикосекунду. Стержень шириной 1,5 м, длиной 8 м и весом более 3 тонн был разработан научными лазерами TRUMPF. Этот тераваттный лазер был испытан на вершине Сантис (в Аппенцелле, на высоте 2502 м), уже оборудованный EPFL и HEIG-VD / HES-SO для наблюдения за молниями.
Он был сфокусирован над 124-метровой вышкой передатчика, принадлежащей телекоммуникационному провайдеру Swisscom, которая была оснащена традиционным громоотводом. Это одно из сооружений, наиболее пострадавших от молнии в Европе. «Главная трудность заключалась в том, что это была кампания в натуральную величину. Нам нужно было подготовить среду, в которой мы могли бы установить и защитить лазер», — говорит Пьер Вальх, доктор философии, студент Лаборатории прикладной оптики (LOA), совместного исследовательского подразделения CNRS, Политехнической школы, ENSTA Paris, Политехнического института Парижа, Палезо, Франция.
Лазер активировался каждый раз, когда прогнозировалась штормовая активность в период с июня по сентябрь 2021 года. Район должен был быть закрыт для воздушного движения заранее. «Цель состояла в том, чтобы увидеть, есть ли разница с лазером или без него», — объясняет Орельен Хуар, научный сотрудник Лаборатории оптических аппликаций (LOA) и координатор проекта. «Мы сравнили данные, собранные, когда над башней создавалась лазерная нить, и когда в башню естественным образом ударила молния».
Эффективно даже через облако
На анализ колоссального объема собранных данных ушел почти год. Этот анализ теперь показывает, что лазер LLR может эффективно направлять молнию. Профессор Вольф далее объясняет: «После первого случая молнии с использованием лазера мы обнаружили, что разряд может следовать за лучом почти на 60 метров, прежде чем достигнет башни, а это означает, что радиус защитной поверхности увеличился со 120 м до 180 м. "
Анализ данных также показывает, что LLR, в отличие от других лазеров, работает даже в сложных погодных условиях, таких как туман (часто встречающийся на вершине Сентиса), который может остановить луч, поскольку он буквально пронзает облака. Этот результат ранее наблюдался только в лаборатории. Следующим шагом консорциума будет дальнейшее увеличение высоты действия лазера. Долгосрочная цель включает использование LLR для удлинения 10-метрового громоотвода на 500 м.
