Как согнуть молнию с помощью лазерного луча

Управление молнией – грандиозная амбиция, но именно это и сделала группа европейских ученых – хотя и ненадолго и с огромными затратами. Выстрелив лазером в грозу в Швейцарии, они получили представление о том, как мы однажды сможем управлять гигантскими силами атмосферы.

«Это первое убедительное доказательство того, как мы можем управлять молнией в реальной жизни».

«То, что им удалось сделать, впечатляет», — сказал Маттео Клеричи, профессор фотоники в Университете Глазго, не принимавший участия в исследовании. «Это первое убедительное доказательство того, как мы можем управлять молнией в реальной жизни».

Для этого команда, чья работа была недавно опубликована в журнале Nature Photonics, создала так называемую лазерную нить. Нить накала возникает в результате эффекта самофокусировки лазера при его прохождении через воздух, который, как солнечный свет, проходящий через выпуклое увеличительное стекло, концентрирует свою мощность. Энергия становится настолько интенсивной, что «выпаривает» электроны из молекул воздуха или ионизирует их, создавая плазму — суп из перегретой материи. Этот луч горячей плазмы называется нитью.

Каждую пятницу получайте самые увлекательные научные новости недели на свой почтовый ящик.

«Когда у вас есть очень мощный лазер, если вы выстрелите им в воздух, он самопроизвольно сформирует нить», — сказал координатор исследования Орельен Уар из Лаборатории прикладной оптики Политехнической школы в Париже.

Нити выбрасывают молекулы воздуха, и этот процесс освобождает путь молнии. «Вы создаете канал с меньшей плотностью», — сказал Хоуард. «В этом канале заряд [молнии] может распространяться быстрее, чем снаружи». Нить накала становится путем наименьшего сопротивления, по которому преимущественно будет проходить электричество, подобно традиционному металлическому громоотводу.

Конечная цель, по словам исследователей, — использовать устройство для отвода молний от чувствительных зон, таких как аэропорты. Из-за гораздо большего радиуса действия лазеры смогут защитить гораздо большую площадь, чем металлические громоотводы.

Результат является кульминацией более чем двух десятилетий исследований и экспериментов.

Чтобы создать нити в атмосфере, исследователи используют лазеры, которые излучают быстрые импульсы длительностью менее 1 триллионной секунды. Именно краткость придает этим лазерам всю мощь просто потому, что в пик более короткого импульса можно втиснуть больше мощности, чем в непрерывный луч. «Идея короткого лазера заключается в том, что при относительно небольшом количестве энергии можно достичь очень высокой интенсивности», — сказал Хоуард.

Предыдущие попытки контролировать молнию потерпели неудачу в Нью-Мексико в 2008 году и в Сингапуре в 2011 году. Хоуард считает, что неудача отчасти объяснялась тем, что используемые лазеры не могли импульсировать достаточно быстро, чтобы поддерживать канал с низкой плотностью в нити накала.

Эти лазеры могли пульсировать только до 10 раз в секунду. Но в исследовании Хоуарда исследователи объединились с немецкой компанией TRUMPF Scientific Lasers, чтобы разработать лазер, который может генерировать импульсы 1000 раз в секунду. Устройство, первое в своем роде, когда-либо созданное, стоило более 2 миллионов евро. «Разработка лазера длилась 2 года, затем у нас было почти 2 года испытаний», — сказал Хоуард.

3-тонный лазер был установлен рядом с телекоммуникационной башней на вершине горы Сентис в Швейцарии, месте, известном частыми ударами молний. Ученым пришлось разобрать машину, перевезти ее части в гондоле и использовать большой вертолет, чтобы разместить ее на горе.

Установка заняла 3 месяца. «После такого количества времени, усилий и денег, — сказал Хоуард, — появился хороший шанс увидеть абсолютно ничего. Это был довольно рискованный эксперимент».

Однако после включения лазера и направления его в небо опасения команды вскоре развеялись. За двухмесячный период они четыре раза зафиксировали молнии, проходящие по пути лазера. Однажды небо было достаточно ясным, чтобы камеры могли заснять молнию, следующую за лазером на расстоянии около 50 метров (160 футов).