Ein Laser als Blitzableiter

Laserstrahl statt Metallstab: In den Himmel gerichtete Laserstrahlen können Blitze ablenken und so als Blitzableiter dienen, wie ein Test auf einem Schweizer Berggipfel nahelegt. Ein gepulster Hochleistungslaser lenkte dabei erfolgreich mehrere Blitze über einem 124 Meter hohen Funkturm ab. Der Laser erzeugte einen ionisierten, ausgedünnten Kanal in der Luft, dem die Blitze folgten, wie Physiker in „Nature“ berichten. Dies könnte neue Möglichkeiten eröffnen, beispielsweise Flughäfen, Raketen-Startrampen und andere anfällige Infrastruktur zu schützen.

Blitze gehören zu den spektakulärsten Phänomenen unseres Wetters. Mit bis zu einer Milliarde Volt springen die grellleuchtenden Entladungen zwischen Gewitterwolken oder zwischen Wolken und der Erdoberfläche über. Im Extremfall kann ein Blitz hunderte Kilometer weit reichen. Dabei entsteht ein Kanal ionisierter, auf bis zu 30.000 Grad aufgeheizter Luftmoleküle, deren explosive Ausdehnung den für uns hörbaren Donner verursacht. Sogar Antimaterie und energiereiche Gammastrahlen werden bei starken Blitzen frei.

Bisher werden Gebäude und andere gefährdete Infrastrukturen durch geerdete Metallspitzen auf dem Dach vor Einschlägen geschützt. Diese vor rund 270 Jahren von Benjamin Franklin erfundenen Blitzableiter liefern dem Blitz einen bevorzugten Einschlagspunkt und leiten seine Ladung in den Untergrund ab. Allerdings reichen diese Blitzableiter oft nicht aus, um ausgedehntere Infrastrukturen wie Flughäfen, Raketen-Startrampen oder auch Kraftwerke über ihre gesamte Fläche hinweg abzuschirmen.

Laserpulse bahnen dem Blitz einen Weg

Eine mögliche Alternative haben nun Aurélien Houard von der Polytechnischen Hochschule in Paris und seine Kollegen entwickelt und getestet – die Blitzablenkung mittels Laser. Dabei erzeugen leistungsstarke Laserpulse in der Luft einen Kanal ionisierter Luftmoleküle, ein sogenanntes Filament. „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.

Dadurch entsteht ein Kanal der dem Blitz einen Weg des geringsten Widerstands bietet – und ihn so von seinem ursprünglichen Ziel ablenkt. „Im Labor wurden durch solche laserinduzierten Filamente schon meterlange elektrische Entladungen ausgelöst und geleitet“, berichten Houard und seine Kollegen. Dabei lassen sich die Laserpulse so einstellen, dass der von ihnen erzeugte Filamentkanal erst weit entfernt von der Laserquelle beginnt – das verringert die Gefahr eines Blitzeinschlags in den Ablenkungslaser.

Praxistest auf dem Säntis-Gipfel

Doch ob diese Laser-Blitzablenkung auch bei einem echten Gewitter im Freiland funktioniert, war bislang unklar. Deshalb haben die Physiker dies im Sommer 2021 mit einem Experiment auf dem rund 2.500 Meter hohen Säntis in den Schweizer Alpen getestet. Dafür transportierten sie einen Hochleistungslaser auf den Berg, der energiereiche infrarote Laserpulse mit einer Frequenz von tausend Pulsen pro Sekunde gen Himmel feuern kann.

Diesen Laser richteten die Physiker so aus, dass er knapp über die Spitze eines 124 Meter hohen Telekommunikations-Turms auf dem Berggipfel hinwegstrahlte. „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.

Für ihr Experiment schalteten sie den Laser immer dann ein, wenn sich im Umkreis von drei Kilometern um den Turm ein Gewitter zusammenbraute. Der Laser erzeugte dann einen rund 50 Meter langen Filamentkanal oberhalb der Turmspitze.

Blitze erfolgreich abgelenkt

Es zeigte sich: Während der Testzeit wurde der Turm mindestens 16-mal vom Blitz getroffen. Bei vier dieser Blitze, allesamt vom Turm aus in Richtung Wolke verlaufende Entladungen, war der Laser aktiv. Analysen ergaben, dass diese Blitze tatsächlich dem vom Laser erzeugten Kanal folgten und so von ihrem direkten Weg abgelenkt wurden. „Der Blitzschlag folgt dem Laserpfad über seine rund 50 Meter lange Strecke“, so das Team. Erst nach Ende des laserinduzierten Filaments schlug der Blitz wieder seinen natürlichen Weg ein.

„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. Anders als gängige Blitzableiter können die Laserstrahlen den Blitz dabei schon hoch oben in der Atmosphäre umlenken – lange bevor er in die Nähe des zu schützenden Objekts kommt.

Noch muss die Methode zwar optimiert und weiter getestet werden. Trotzdem sehen die Physiker in solchen Laser-Blitzableitern eine vielversprechende Möglichkeit, in Zukunft kritische Infrastruktur wie beispielsweise Flughäfen, Kraftwerke oder Raketenstartrampen besser vor Blitzeinschlägen zu schützen. (Nature, 2023; doi: 10.1038/s41566-022-01139-z)

Quelle: Nature