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Waldbrände, Stromausfälle und beschädigte Infrastrukturen... Blitze faszinieren und zerstören gleichermassen und verursachen weltweit bis zu 24 000 Todesfälle pro Jahr, ganz zu schweigen von weitreichenden Zerstörungen. Noch heute ist der von Benjamin Franklin erfundene Blitzableiter der beste Schutz. Dennoch bieten diese Stäbe nicht immer einen optimalen Schutz für empfindliche Standorte.
Ein europäisches Konsortium, bestehend aus der Universität Genf (UNIGE), der École Polytechnique (Paris), der EPFL, der Hochschule für Wirtschaft und Ingenieurwissenschaften des Kantons Waadt (HEIG-VD) und dem Unternehmen TRUMPF Scientific Lasers (München), hat eine vielversprechende Alternative entwickelt: den Laser-Blitzableiter (LLR). Nachdem die Forschenden den LLR auf dem Gipfel des Säntis in Appenzell getestet haben, haben sie nun den Beweis für seine Anwendbarkeit erbracht. Der Stab kann Blitze über mehrere Dutzend Meter ablenken, auch bei schlechtem Wetter. Die Ergebnisse dieser Forschung wurden in der Zeitschrift Nature Photonics veröffentlicht.
Tests in einer Höhe von 2500 m
Mit Hilfe intensiver Laserpulse zur Erzeugung von Kanälen aus ionisierter Luft, die elektrisch leitfähig ist, kann der LLR Blitze entlang seines Strahls lenken. Indem er sich von einem herkömmlichen Blitzableiter nach oben erstreckt, kann er dessen Höhe ebenso vergrössern wie die Fläche des Gebiets, das er schützt. Das LLR-Projekt umfasste die Entwicklung eines neuen Lasers mit einer durchschnittlichen Leistung von einem Kilowatt, einem Joule pro Puls und einer Dauer pro Puls von einer Pikosekunde. Der von TRUMPF Scientific Lasers entwickelte Stab ist 1,5 m breit, 8 m lang und wiegt mehr als 3 Tonnen.
Der Terawatt-Laser des LLR wurde auf dem Gipfel des Säntis (2502 m ü. M.) in der Nähe eines 124 m hohen Fernmeldeturms der Swisscom getestet, der mit einem herkömmlichen Blitzableiter ausgestattet war und bereits von der EPFL und der HEIG-VD / HES-SO zur Beobachtung von Blitzen instrumentiert wurde. Der Turm ist einer der Hotspots für Blitze in Europa und wird etwa 100 Mal pro Jahr getroffen.
Der EPFL-Beitrag zum Projekt stammt vom Electromagnetic Compatibility Laboratory (EMC) unter der Leitung von Farhad Rachidi an der Fakultät für Ingenieurwissenschaft und Technologie. Die EMC-Forschenden untersuchten die Auslösung von aufsteigenden Blitzentladungen und bauten in Zusammenarbeit mit der HEIG-VD/HES-SO die experimentellen Einrichtungen zur Blitzbeobachtung auf. Zur Instrumentierung gehörten Blitzstrommessungen am Turm, elektromagnetische Feldantennen, Röntgensensoren, Hochgeschwindigkeits-Videokameras und ein interferometrisches System zur Abbildung der Blitzentladung.
«Dies war eine bemerkenswerte experimentelle Leistung, da sich die zahlreichen Messstationen in einer Bergregion mit rauen Wetterbedingungen befanden, die alle eine Zeitsynchronisation, Überwachung und Kontrollmöglichkeiten erforderten», sagt Rachidi, «diese gleichzeitigen Beobachtungen ermöglichten es uns, die Führung der Blitze durch den Hochleistungslaser zu bestätigen.»
Der Laser wurde jedes Mal aktiviert, wenn zwischen Juni und September 2021 eine Gewitteraktivität vorhergesagt wurde. Das Gebiet musste zuvor für den Flugverkehr gesperrt werden. «Wir wollten sehen, ob es einen Unterschied mit oder ohne Laser gibt», erklärt Aurélien Houard, Forscher im Laboratoire d'Optique Appliquée (LOA) und Koordinator des Projekts: «Wir haben die Daten verglichen, die gesammelt wurden, wenn der Laserstrahl über dem Turm erzeugt wurde, und wenn der Turm auf natürliche Weise vom Blitz getroffen wurde.»
Wirksam auch durch Wolken
Es dauerte fast ein Jahr, um die riesige Menge an gesammelten Daten zu analysieren. Diese Analyse zeigt nun, dass der LLR-Laser Blitze effektiv lenken kann.
«Beim ersten Blitzschlag, bei dem der Laser zum Einsatz kam, stellten wir fest, dass die Entladung dem Strahl fast 60 Meter weit folgen konnte, bevor sie den Turm erreichte, was bedeutet, dass der Radius der Schutzfläche von 120 m auf 180 m vergrössert wurde», erklärt Jean-Pierre Wolf, UNIGE-Professor für Physik und letzter Autor der Studie.
Die Datenanalyse zeigt zudem, dass der LLR im Gegensatz zu anderen Lasern auch bei schwierigen Wetterbedingungen – wie Nebel (der auf dem Gipfel des Säntis häufig auftritt), der den Strahl stoppen kann – funktioniert, da er buchstäblich die Wolken durchdringt. Dieses Ergebnis war bisher nur im Labor beobachtet worden. Der nächste Schritt des Konsortiums wird darin bestehen, die Wirkungshöhe des Lasers noch weiter zu erhöhen. Langfristiges Ziel ist es, mit dem LLR einen 10 m langen Blitzableiter um 500 m zu verlängern.