Článek
Ve švýcarských Alpách, konkrétně u 2502 metrů vysoké hory Säntis, mohli turisté v létě 2021 spatřit zvláštní budovu. Zvenku vypadala jako větší ubytovací kontejner. Uvnitř se ale skrýval laser, uvádí Wall Street Journal.
Foto (vlevo) a schéma experimentální laserové soupravy (vpravo). Vědci v rámci projektu Laser Lightning Rod použili Yb:YAG laser zaměřený teleskopem.
Laserový zářič je schopný vyslat až tisíc záblesků světla, každý o energii půl joulu a délce jedné pikosekundy (0,000000000001 sekundy). Proč? Protože vědci chtěli konečně dokázat v reálném světě to, co se v laboratořích vědcům daří už desítky let: změnit pomocí laserového paprsku dráhu blesku a navést výboj jinam, než se původně chystal udeřit.
Je to první realizace toho, o čem jsme snili celá desetiletí. Poprvé se to povedlo naživo venku.
Abychom pochopili, k čemu mohl být laserosvod dobrý, potřebujeme si rychle zopakovat, jak funguje klasický bleskosvod, který se velmi pravděpodobně nachází i na vašem obydlí.
Blesky jsou už vyřešené, ne?
Český vynálezce Prokop Diviš v polovině 18. století ukázal svůj „meteorologický stroj“ na odsávání elektrického náboje, který bychom mohli zpětně označit za první bleskosvod. Ve stejné době koketoval s různými nástroji na „zachytávání elektrických výbojů“ také Benjamin Franklin v americké Pensylvánii. Obecně se právě Franklin označuje za autora konceptu bleskosvodu, který od té doby zachránil nespočet životů. Dodnes se ostatně v USA bleskosvodu říká „Franklinův prut“.
Ať už prvenství přiznáme jednomu z těchto dvou experimentátorů, můžeme konstatovat, že za posledních 200 let se bleskosvody příliš nezměnily. Staly se běžnou součástí budov, které chrání před úderem blesku. Nabídnou totiž nebezpečnému výboji rychlejší cestu, a blesk tak nezpůsobí škody na majetku nebo na životech.
Jak si blesk „vybírá“, kam udeří?
Blesk, který vzniká v bouřkovém mraku, je velmi silným elektrickým výbojem. V důsledku pohybu ledových krystalků směrem vzhůru a kapek vody směrem dolů dochází k hromadění záporného náboje ve spodní části mraku a kladného náboje v horní části mraku.
Ve chvíli, kdy je elektrické napětí mezi mrakem a zemí dostatečně silné na překonání odporu, může dojít k silnému elektrickému výboji, který nazýváme bleskem.
Přestože se blesk cestou může větvit, hlavní výboj je obvykle jen jeden. Blesk „hledá“ cestu nejmenšího odporu. Může se tedy jednat o nejkratší vzdálenost směrem k zemi, ale také cestu, která klade nejmenší odpor.
Proto se klasické hromosvody (správněji bychom měli říkat bleskosvody) staví tak, aby jejich konec vystupoval nad okolí. Díky své vodivosti tak tvoří nejrychlejší cestu blesku k zemi (a právě takovou blesk hledá) a ochrání před úderem přibližně několik desítek metrů v okolí.
Když prut ani raketa nestačí
Zatímco k ochraně budov jsou klasické hromosvody obvykle dostatečné, pro ochranu jiných objektů se ale úplně nehodí. Třeba rozsáhlé farmy, letiště, vojenské základny nebo kosmodromy mají dlouhodobě s blesky problémy, vypočítává Jean-Pierre Wolf, fyzik na University of Geneva a jeden z autorů studie.
Vynalézaví konstruktéři tak přišli s alternativním „bleskosvodem“. Americký úřad pro letectví a vesmír (NASA) vyzkoušel v 60. letech systém raket a vodivého lana.
Nákres systému, který umí odpálit raketu táhnoucí za sebou ukotvený drát. Vpravo ukázka z úspěšného experimentu, kdy byl blesk „odchycen“ na vzdálenost přibližně sta metrů.
Zjednodušeně řečeno byla teorie následující: kdyby se blížil bouřkový mrak, který by mohl bleskem ohrozit důležitý objekt (třeba raketu připravenou ke startu), může obsluha vypálit raketu. Ta za sebou táhne kovový drát, a je tak vlastně dočasným bleskosvodem se vším všudy.
Metodu „vystřelovacího bleskosvodu“ postupně vyladili tak, že pomocí správného měření a načasování dosahovali až 90% úspěšnosti. Metoda má ale i zjevné nevýhody. Nemůžete například za plného provozu chránit letiště tím, že nad něj vystřelujete rakety táhnoucí za sebou drát. Padající zbytky by mohly způsobit větší škody, než samotný úder blesku.
Naváděcí laserový paprsek tisíckrát za sekundu
V některých případech může být blesk vidět nejdříve jako výboj, který jde napřed ze země k mraku a teprve pak jako hlavní výboj od mraku k zemi. Tento jev se nazývá „předpulzní výboj“. Dojde k němu, když kladný náboj země dokáže ionizovat okolní vzduch a „připravit cestu“ pro hlavní výboj.
Právě tyto výboje svým způsobem napodobuje laserový paprsek. Vědci mluví o „procesu filamentace“. Pulzní laser totiž v podstatě rozehřeje vzduch v bezprostředním okolí zaměřeného paprsku a vznikne ionizovaná oblast podobná plazmatu. Podobá se tedy trochu umělému blesku, nejde ale o elektrický výboj, který by nešlo spolehlivě směřovat, ale o přesně zacílené elektromagnetické záření.
„Laserový pulz je dostatečně intenzivní, aby ionizoval molekuly vzduchu. Další šíření laserového pulzu je řízeno samofokusací paprsku na jedné straně a efektem rozostření v důsledku přítomnosti volných elektronů na straně druhé,“ popisuje složitý proces studie. To umožňuje vytvořit úzké kanály ionizujících laserových pulzů na velké vzdálenosti.
Komerční uplatnění je minimálně deset let vzdálené.
Už od devadesátých let se podobné experimenty dařily v laboratoři, ovšem v mnohem menším měřítku, tedy na desítky centimetrů, maximálně metry. Právě nesmírně výkonný a drahý laser ale vědcům z týmu Laser Lightning Rod (Laserový bleskosvod) umožnil tuto vzdálenost radikálně prodloužit.
Oproti dříve vyzkoušeným modelům stonásobně zvýšil počet impulzů za sekundu. „To v podstatě znamená, že jsme měli stokrát větší šanci chytit blesk ve správný okamžik a pak jej dále vést,“ uvedl spoluautor studie Aurélien Houard, výzkumník na École Polytechnique ve francouzském Palaiseau.
Tým 25 vědců postavil soupravu na hoře ve švýcarských Alpách a čekal. Vrcholek vybrali proto, že na něm stojí věž (samozřejmě vybavená klasickým bleskosvodem), do které každoročně udeří asi stovka blesků. Během svého pětitýdenního pozorování měli štěstí na celkem šest hodin bouří. Věž během nich zasáhlo 16 blesků.
A čtyři z těchto výbojů se vědcům podařilo „svést“. Ve všech případech je jednalo o již zmíněný – statisticky méně častý – typ blesku, který začíná „zespodu“, od země. Vědci spekulují, že je to proto, že na vedení „pozitivního blesku“ (jak se přezdívá těmto méně častým, ale zato nebezpečnějším bleskům) je potřeba nižší energie laserového „vodítka“.
Z důvodu husté mlhy byl nakonec na fotografii zachycen jen jeden ze čtyř „navedených“ blesků. I tak to vědci z oboru považují za přelomový úspěch.
Jeden ze čtyř blesků, které se laserem podařilo zachytit. Prostřední a pravý snímek ukazují stejný blesk vyfocený z různých míst.
„Je to první realizace něčeho, o čem jsme snili celá desetiletí,“ řekl pro Wall Street Journal Matteo Clerici, fyzik z University of Glasgow, který se na výzkumu nepodílel. „To, že se jim to podařilo ve venkovním prostředí, je velmi velký krok.“
„Všimněte si, že výboj není podél tohoto počátečního úseku zcela přímý, jako by tomu bylo při spuštění blesku raketou taženou za drátem,“ připomínají autoři studie. Tento rozdíl je podle nich známý i z výbojů v laboratořích. Jako důvod uvádějí to, že pohyblivý vzduch je mnohem komplexnější strukturou než drát. Blesk tak může v některých místech laserový paprsek opustit, aby si jej o pár centimetrů později znovu „našel“.
Experimenty budou pokračovat. Cílem projektu je vytvořit takový systém, který by umožňoval ochranu důležitých budov a zařízení, což by mohlo v důsledku ušetřit ohromné náklady.
Vize projektu Laser Lightning Rod, sponzorovaného Evropskou unií, je umístění výkonných laserů na vršky budov nebo v okolí letišť.
Zatím je ale na světě jen jediný laserový systém tohoto typu. „Bude trvat ještě nějakou dobu, než se systém zmenší a bude a praktičtější,“ domnívá se Houard. Komerční uplatnění je podle jeho odhadu alespoň deset let vzdálené. V dalších experimentech se jeho tým zaměří na vyladění různých parametrů vodícího laseru. Teoreticky by mohl nejen vést již započaté blesky, ale také blesky cíleně vyvolávat. Nabitý bouřkový mrak by tak „vysál“ ještě dříve, než by mohl představovat nebezpečí.
