Laser lenkt Blitz ab: Neuer Ansatz beim Blitzschutz?
Einer Forschergruppe ist es erstmals gelungen, einen Blitz mit einem Laser abzulenken. Bislang hat das nur im Labor funktioniert. Ein Hochleistungslaser von Trumpf machte dies möglich. Das bietet ganz neue Möglichkeiten in Sachen Blitzschutz.
Mit einem Hochleistungslaser ließen sich erstmal Blitze erfolgreich ablenken.
Foto: TRUMPF/Martin Stollberg
Ein schnell feuernder Laser kann Blitzeinschläge ablenken. Das haben Forschende hoch in den Schweizer Alpen auf einem Berggipfel nachgewiesen. Ein gepulster Hochleistungslaser lenkte dabei erfolgreich mehrere Blitze über einem 124 Meter hohen Funkturm ab. Die beteiligten Physiker veröffentlichten jetzt einen Aufsatz in der renommierten wissenschaftlichen Fachzeitschrift „Nature“, in dem sie berichten, wie das funktioniert und wie die Technik sich auf den Alltag übertragen lässt. Denkbar wäre zum Beispiel ein Einsatz bei anfälliger Infrastruktur wie zum Beispiel Flughäfen und Raketen-Startrampen.
Kurzer Exkurs zum Blitzschutz
Benjamin Franklin ist die Anregung zu Experimenten zu verdanken, die bewiesen, dass bei Gewittern eine elektrische Spannung zwischen Wolken und Erde besteht, die sich in einem Blitz entlädt. Das war vor rund 270 Jahren. Inzwischen wissen wir, dass solch ein Blitz Stromstärken von 100.000 Ampere und Spannungen von mehr als 100.000 Volt erreicht. Durch die hohe Stromstärke der elektrischen Entladung erhitzen sich die auf dem Pfad des Blitzes liegenden Objekte und können in Brand geraten. Durch das starke elektromagnetische Feld können sie zudem elektronische Geräte beschädigen.
Durch einen inneren und äußeren Blitzschutz kann verhindert werden, dass es zu Schäden kommt. Der äußere Blitzschutz besteht aus einer metallischen Fangeinrichtung, einer Ableitungs- und einer Erdungsanlage. Der Blitz wird dann von dem Metallteil, das kann ein Stab, aber auch ein Seil oder Draht sein, angezogen und über die Ableitungsanlage in den Untergrund geleitet. Nun haben Forschende nachgewiesen, dass ein Blitz auch mit einem Laser abgelenkt werden kann. So lässt sich verhindern, dass er in ein Bauteil einschlägt.
Der Hintergrund: Die Größe der Stäbe bei einem herkömmlichen Blitzableiter ist begrenzt. Sie reichen daher oft nicht aus, um ausgedehnte Infrastrukturen wie zum Beispiel Flughäfen oder auch Kraftwerke über ihre gesamte Fläche abzuschirmen. Physiker haben sich daher überlegt, ob sich der Schutz mit einem Laser verbessern lässt. Sie ragen höher in den Himmel als eine physische Struktur und können in jede Richtung zeigen. Bislang konnten Forschende dies nur erfolgreich im Labor demonstrieren, dass dies funktioniert. Nun ist es erstmals in freier Natur gelungen.
Mit einem Schnellfeuerlaser Blitzeinschläge ablenken
Eine Gruppe von rund 25 Forschenden machte sich im Sommer 2021 auf den Weg in die Schweizer Alpen, genauer gesagt, ging es auf den rund 2.500 Meter hohen Säntis. Mit im Gepäck: Ein Hochleistungslaser des deutschen Herstellers Trumpf im Wert von zwei Millionen Euro. Dieser Laser ist in der Lage, energiereiche infrarote Laserpulse mit einer Frequenz von tausend Pulsen pro Sekunde in Richtung Himmel zu feuern. Die Wissenschaftler platzierten den Laser neben dem Fernmeldeturm Säntis, der häufig von Blitzen getroffen wird. „Dies ist eines dieser Projekte, auf dessen Ergebnisse alle gewartet haben“, sagt Valentina Shumakova, Laserphysikerin an der Universität Wien.
Mit Hilfe des Laserstrahls ist es möglich, einen leitenden Pfad für Blitze zu schaffen. Genauer gesagt, erzeugen die leistungsstarken Laserpulse sogenannte Filamente. Das ist ein Kanal ionisierter Luftmoleküle. „Entlang dieser filamentösen Zonen wird die Luft durch die Absorption der Laserenergie rapide erhitzt und dehnt sich mit Überschallgeschwindigkeit nach außen aus“, erklären die Forscher. „Es ist, als würde man mit dem Laser ein Loch in die Luft bohren“, sagt Aurélien Houard, Physiker am Labor für angewandte Optik in Paris, der das Projekt geleitet hat.
Vereinfacht gesagt, entsteht ein Kanal, der dem Blitz einen Weg des geringsten Widerstands bietet. So lässt es sich von seinem ursprünglichen Pfad ablenken. „Im Labor wurden durch solche laserinduzierten Filamente schon meterlange elektrische Entladungen ausgelöst und geleitet“, berichten Houard und seine Kollegen. Die Laserpulse lassen sich dabei so einstellen, dass der erzeugte Filamentkanal erst weit entfernt von der Laserquelle beginnt. Die Gefahr des Blitzeinschlags in den Ablenkungslaser kann damit verringert werden.
Video: So funktioniert die Blitzableitung mit dem Laser
So lief der Praxistest
Der Säntis wurde unter anderem deshalb ausgewählt, weil der 124 hohe Telekommunikations-Turm dort recht häufig von Blitzen getroffen wird. „Dieser Turm, der rund 100-mal pro Jahr vom Blitz getroffen wird, ist mit zahlreichen Sensoren ausgestattet, die Blitzentladungen, elektromagnetische Felder, Röntgenstrahlung und andere von Blitzen verursachte Strahlung registrieren können“, berichten die Wissenschaftler.
Die Physiker richteten den Laser so aus, dass er knapp über die Spitze des Turms hinwegstrahlte. Für das Experiment schalteten sie den Schnellfeuerlaser immer dann ein, wenn sich in einem Umkreis von drei Kilometern ein Gewitter zusammenbraute. Dabei wurde nicht versucht, den Blitz vom Turm abzulenken, sondern es sollte gezeigt werden, dass der Laserstrahl den Weg eines Blitzes durch den Blitzableiter des Gebäudes lenken kann. Das sollte mit einem rund 50 Meter langen Filamentkanal gelingen, den der Laser erzeugte.
Während der zehnwöchigen Testphase beobachtete das Team, dass der Laser vier Blitze kanalisierte. Eine Hochgeschwindigkeitskamera zeigte deutlich, dass ein Blitz der geraden Linie des Laserstrahls folgte, anstatt einen abzweigenden Pfad zu nehmen. Erst am Ende des Laserkanals schlug der Blitz wieder seinen natürlichen Weg ein. Damit gelang etwas, was bei früheren Versuchen nicht gelang. Der Grund dafür wird beim verwendeten Laser vermutet. Vorher kamen immer Laser zum Einsatz, die nur wenige Impulse pro Sekunde abgaben. Bei den Experimenten auf dem Säntis wurde hingegen ein Speziallaser verwendet, der 1.000 hochenergetische Impulse pro Sekunde abgibt.
Insgesamt werden die Experimente als Erfolg betrachtet: „Die Ergebnisse der Säntis-Experiment-Kampagne liefern damit erste Indizien dafür, dass die von kurzen, intensiven Laserpulsen gebildeten Filamente Blitzentladungen über beträchtliche Distanzen hinweg lenken können“, konstatieren Houard und seine Kollegen. Nun geht es im nächsten Schritt darum, die Methode weiter zu optimieren und zu testen. Noch ist das System zudem recht teuer, der Hochleistungslaser kostet immerhin rund zwei Millionen Euro. Damit die Methode der Blitzablenkung praxistauglich wird, braucht es günstigere und kleinere Systeme.
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