Uderzenia piorunów mogą spowodować poważne uszkodzenia budynków oraz infrastruktury krytycznej, na przykład lotnisk. W celu zmniejszenia tego zagrożenia uczestnicy jednego z projektów finansowanych przez UE wykorzystują zaawansowaną technologię laserową, aby kontrolować miejsca uderzeń piorunów. Laserowa instalacja odgromowa może zmniejszć straty finansowe i pomóc ratować życie ludzkie.


Image

© stnazkul #84059942, source:stock.adobe.com 2020

Według popularnej mądrości ludowej, pioruny nigdy nie uderzają dwukrotnie w to samo miejsce, jednak nawet jedno uderzenie wystarczy do spowodowania znacznych szkód. Każdego roku wyładowania atmosferyczne zabijają nawet 24 000 osób, wywołując dodatkowo inne niepożądane skutki, takie jak przerwy w dostawach energii elektrycznej, pożary lasów czy uszkodzenia budynków. 

W sytuacji uderzenia pioruna w ważny element infrastruktury lub miejsce szczególnie wrażliwe na wyładowania atmosferyczne – na przykład lotniska czy kosmodromy – straty mogą być liczone w miliardach euro. Uczestnicy finansowanego przez Unię Europejską projektu LLR postanowili rozwiązać ten problem, próbując dokonać niemożliwego – okiełznać pioruny.  

„Współcześnie stosowane instalacje odgromowe nadal opierają się na piorunochronie, wynalazku Benjamina Franklina sprzed niemal 300 lat”, mówi Aurélien Houard, pracownik naukowy francuskiej Ecole Polytechnique i koordynator projektu LLR (Laser Lighnting Rod). „Celem naszego projektu było unowocześnienie jego koncepcji dzięki wykorzystaniu bardzo silnego lasera”.

Potężny promień lasera

Sercem projektu jest nowatorski rodzaj lasera, emitujący potężną wiązkę promieniowania, która jest wykorzystywana jako preferencyjna droga dla wyładowania atmosferycznego, co pozwala na skierowanie go z dala od potencjalnych ofiar. Dodatkowo, ten przełomowy laser może zostać również wykorzystany w celu doprowadzenia wyładowań atmosferycznych do ziemi, co pozwoli na bezpieczne rozładowanie ładunku elektrostatycznego zgromadzonego w chmurach. 

W przypadku instalacji rozwiązania na lotnisku piorunochron laserowy działałby w połączeniu z radarowym systemem wczesnego ostrzegania. „W przypadku wystąpienia warunków burzowych obsługa lotniska uruchamiałaby laser i kierowała go na chmurę w celu odciągnięcia piorunów od samolotów w czasie startu, lądowania, kołowania oraz operacji naziemnych”, wyjaśnia Houard. „Tym sposobem powstałby bezpieczny korytarz otoczony chroniącymi go laserami”.

Przełomowa technologia

Osiągnięcie niezbędnej intensywności i powtarzalności nie było proste i wymagało wdrożenia szeregu przełomowych technologii, wśród których warto wymienić między innymi technikę wzmacniania pulsów świergoczących (ang. chirped pulse amplification (CPA)), wykorzystywaną obecnie przez większość laserów wysokiej mocy na świecie, za którą jej twórcy otrzymali w 2018 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. „Wzmacnianie pulsów świergoczących pozwala na wzmacnianie ultrakrótkiego impulsu laserowego”, opowiada Houard. „Technika opiera się na chwilowym rozciągnięciu impulsu laserowego, a następnie jego wzmocnieniu i ponownemu ściśnięciu”. 

Także emisja krótkich impulsów laserowych z wysoką częstotliwością powtarzania wynoszącą 1 000 impulsów na sekundę wymagała podniesienia średniej mocy lasera, co było możliwe dzięki zastosowaniu zaawansowanej technologii wzmacniacza opracowanej przez niemiecką spółkę Trumpf, zajmującą się produkcją maszyn przemysłowych, przekazanej pozostałym członkom konsorcjum projektowego. 

Jak twierdzi Houard, energia dostarczana przez wiele diod wykorzystywanych w tej technologii jest skupiona na bardzo cienkim dysku kryształowym chłodzonym wodą. „Kiedy impuls laserowy przechodzi przez kryształ, zmagazynowana energia jest przekazywana do impulsu laserowego dzięki mechanizmowi kwantowego wzmocnienia lasera”, mówi uczony. „Konstrukcja tego cienkiego wzmacniacza w formie dysku pozwoliła na zwiększenie mocy ultrakrótkiego lasera o rząd wielkości”.

Kolejnym rezultatem projektu było opracowanie innowacyjnego systemu pozwalającego na prognozowanie wyładowań atmosferycznych. „Dzięki połączeniu danych pochodzących ze standardowych stacji meteorologicznych oraz technologii sztucznej inteligencji, partnerom skupionym w ramach konsorcjum projektowego udało się opracować nowy sposób prognozowania uderzeń piorunów w promieniu 30 kilometrów z wyprzedzeniem sięgającym od 10 do 30 minut”, opowiada Houard. „Po raz pierwszy w historii powstał system oparty na prostych danych meteorologicznych, który jest w stanie przewidzieć uderzenia piorunów dzięki obliczeniom realizowanym w czasie rzeczywistym”. 

Demonstracja w 2021 roku

Zespół projektu LLR testuje obecnie opracowany przez siebie laser w Paryżu. Celem przeprowadzanych testów jest potwierdzenie możliwości bezpiecznego kierowania wyładowań atmosferycznych do ziemi przy pomocy wiązki lasera o dalekim zasięgu wystrzeliwanej w atmosferę. 

Demonstracja koncepcji instalacji odgromowej opracowanej w ramach projektu LLR odbędzie się na szwajcarskim szczycie Säntis, na którym znajduje się nadajnik spółki Swisscom, który każdego roku staje się celem przeszło 100 piorunów. Demonstracja rozwiązania została zaplanowana na 2021 rok. Zespół jest przekonany, że jeśli demonstracja przebiegnie pomyślnie, system będzie gotowy do pełnej komercjalizacji w ciągu najbliższych kilku lat.  



Source link