Un láser para guiar rayos.

En el verano de 2021, la tormenta se avecina sobre el macizo de Alpstein, en el este de Suiza. Es en la estación meteorológica de Säntis, el punto más alto de la región, donde Aurélien Houard, de la École polytechnique, y sus colegas de un consorcio europeo se preparan para materializar una idea digna de una novela científica. un láser en el cielo.

Esta idea, por sorprendente que sea, no es nueva. En 1974, Leonard Ball de la American Optical Society tuvo la idea de disparar un rayo y dirigirlo usando un láser. Sin embargo, no fue hasta 2004 cuando vieron la luz los primeros intentos experimentales de iluminación natural, sin éxito durante casi veinte años.

Para comprender el principio de este “pararrayos láser”, debemos volver por un momento a la naturaleza del rayo. Durante una tormenta eléctrica, la parte inferior de las nubes cumulonimbus está cargada negativamente, mientras que la parte superior está cargada positivamente. Esto da como resultado un voltaje eléctrico de varias decenas de millones de voltios entre la base de la nube y el suelo. Normalmente, el aire no es un conductor, pero por encima de un cierto voltaje llamado “ruptura”, los electrones se desprenden de las moléculas y la corriente puede fluir. Una columna de aire altamente conductora llamada “trazador” sale de la nube (o de un punto alto en el suelo), moviéndose a tirones, a través de rupturas sucesivas, siguiendo el camino menos aislante a través de la atmósfera. A su paso, el trazador ioniza el aire y lo transforma en plasma (estado de la materia en el que los electrones circulan libremente). Al mismo tiempo, las cargas eléctricas del rastreador atraen cargas opuestas a los extremos de los edificios y árboles, desde donde los nuevos rastreadores parecen encontrarse con el primero. Cuando los trazadores se juntan, tierra y nube quedan conectadas por un canal de plasma conductor, preparado para recibir una descarga de hasta 200.000 amperios: el rayo.

Teniendo en cuenta la naturaleza del rayo, entendemos el funcionamiento del pararrayos –esencialmente, una punta metálica conectada a tierra por un hilo conductor–, dispositivo imaginado por primera vez en 1752 por Benjamin Franklin. Otra estrategia sería crear artificialmente y de forma controlada un plasma en el aire para guiar una formación de destellos: este es el camino de los láseres de alta potencia.

Para crear este plasma, Aurélien Houard y sus colegas utilizaron una técnica basada en el principio de la filamentación láser, descubierta por el premio Nobel francés Gérard Mourou en 1994. Un pulso láser intenso altera el índice de refracción del medio por el que pasa, provocando que se enfoque automáticamente. sobre un filamento capaz de ionizar el aire y formar allí un plasma. A lo largo del filamento, el aire se convierte rápidamente en un canal caliente y cargado de iones, proporcionando un camino privilegiado para la propagación de los rayos.

En intentos anteriores, los investigadores habían implementado este principio, pero sin éxito. Para producir suficiente energía con la apariencia de un filamento de aire ionizado, la energía del láser debe emitirse durante un tiempo muy breve, normalmente del orden de una milmillonésima de milisegundo (picosegundo). El tiempo de un pulso, por lo tanto, es posible alcanzar una potencia del orden de un teravatio (mil billones de julios por segundo). La dificultad es emitir suficientes pulsos por segundo para mantener la estabilidad del filamento de plasma, que de lo contrario dura solo alrededor de un milisegundo. Los experimentos anteriores habían alcanzado una tasa de 10 pulsos por segundo, lo cual era insuficiente.

Los socios alemanes del consorcio Trumpf Scientific Lasers, después de tres años de desarrollo, lograron desarrollar el láser apropiado, con una frecuencia de 1 kilohercio (mil disparos por segundo). Al apuntar este láser generado por un voluminoso dispositivo de 14 metros cúbicos hacia el cielo, el equipo pudo mantener un filamento de aire ionizado de unos 100 metros de largo por encima de la torre de telecomunicaciones de Säntis. Esta torre de 124 metros de altura es un lugar excepcional para la observación de rayos, ya que caen una media de cien veces al año. En el verano de 2021, durante el tiempo de funcionamiento del láser, la torre fue alcanzada cuatro veces por un rayo. Cada uno de estos destellos siguió la trayectoria trazada por el láser, a una distancia de hasta 50 metros.

En la idea original de Leonard Ball, un láser teóricamente podría desencadenar una descarga de nubes. Hasta ahora, el equipo no ha podido reproducir este fenómeno fuera de las condiciones de laboratorio controladas. Pero esto ofrecería la posibilidad de disparar rayos de manera específica y así proteger aún más las áreas vulnerables. Cada año, de hecho, en Francia, entre 100 y 300 personas son alcanzadas por un rayo y los daños materiales ascienden a cientos de millones de euros. Sin embargo, el pararrayos láser consume mucha energía y requiere un equipo de última generación particularmente voluminoso. ¡Todavía tendremos que conformarnos durante algún tiempo con la simplicidad del dispositivo heredado de Benjamin Franklin!

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