Desviar los rayos con un pararrayos láser
Un consorcio europeo ha desarrollado una alternativa prometedora al tradicional pararrayos inventado hace 270 años por Benjamin Franklin, que está basada en la tecnología láser.
Tras probar el nuevo dispositivo LLR (Laser Lightning Rod) en la cumbre de Säntis (Suiza), los investigadores han demostrado su viabilidad. El pararrayos puede desviar rayos a varias decenas de metros, incluso con mal tiempo. Los resultados de esta investigación se publican en la revista Nature Photonics.
El rayo es uno de los fenómenos naturales más extremos. Descarga electrostática abrupta de millones de voltios y cientos de miles de amperios, el rayo puede observarse en una sola nube, entre varias nubes, entre una nube y el suelo y viceversa. Tan fascinante como destructivo, el rayo es responsable de hasta 24.000 muertes al año. Desde cortes de electricidad e incendios forestales hasta daños en las infraestructuras, también causa grandes estragos que ascienden a varios miles de millones de dólares.
Los dispositivos de protección contra los rayos han cambiado poco desde 1752, cuando Benjamin Franklin inventó el pararrayos, un mástil metálico puntiagudo y conductor conectado a tierra. El pararrayos tradicional sigue siendo hoy en día la forma más eficaz de protección externa: protege una superficie con un radio más o menos igual a su altura.
Así, una barra de 10 metros de altura protegerá una zona de 10 m de radio. Sin embargo, como la altura de los mástiles no es ilimitadamente extensible, no es un sistema óptimo para proteger lugares sensibles en una zona amplia, como un aeropuerto, un parque eólico o una central nuclear.
Un consorcio europeo dirigido por la UNIGE (Universidad de Génova) y la École Polytechnique (París) ha estudiado cómo resolver este problema en estrecha colaboración con la EPFL (EMC Lab, Prof. Farhad Rachidi), TRUMPF scientific lasers, ArianeGroup, AMC (Prof. A. Mysyrowicz) y la Escuela de Ingeniería y Gestión (hes-so, Prof. Marcos Rubinstein).
Ha estado trabajando en un dispositivo conocido como pararrayos láser (LLR). Mediante la generación de canales de aire ionizado, el LLR se utilizó para guiar los rayos a lo largo de su haz. Al extenderse hacia arriba a partir de un pararrayos tradicional, podía aumentar su altura prácticamente tanto como la superficie de la zona que protege.
"Cuando se emiten pulsos láser de muy alta potencia en la atmósfera, se forman filamentos de luz muy intensa en el interior del haz", expone en un comunicado Jean-Pierre Wolf, profesor titular del Departamento de Física Aplicada de la Sección de Física de la Facultad de Ciencias de la UNIGE y último autor del estudio. "Estos filamentos ionizan las moléculas de nitrógeno y oxígeno del aire, que liberan electrones que quedan libres para moverse", prosigue el profesor Wolf. "Este aire ionizado, llamado 'plasma', se convierte en conductor eléctrico".
El proyecto LLR obligaba a desarrollar un nuevo láser con una potencia media de un kilovatio, un julio por pulso y una duración por pulso de un picosegundo. La barra mide 1,5 m de ancho, 8 m de largo y pesa más de 3 toneladas, y fue diseñada por TRUMPF scientific lasers. Este láser de teravatios se probó en la cima del Säntis (en Appenzell, a 2.502 m de altura) ya instrumentada por la EPFL y HEIG-VD / HES-SO para observar rayos.
Se centró sobre una torre transmisora de 124 m perteneciente al proveedor de telecomunicaciones Swisscom, que estaba equipada con un pararrayos tradicional. Se trata de una de las estructuras más afectadas por los rayos en Europa. "La principal dificultad era que se trataba de una campaña a escala real. Tuvimos que preparar un entorno en el que pudiéramos instalar y proteger el láser", explica Pierre Walch, estudiante de doctorado en el Laboratoire d'Optique Appliquée (LOA), unidad conjunta de investigación CNRS, École Polytechnique, ENSTA Paris, Institut Polytechnique de Paris, Palaiseau, Francia.
El láser se activó cada vez que se preveía actividad tormentosa entre junio y septiembre de 2021. La zona tuvo que cerrarse al tráfico aéreo con antelación. "El objetivo era ver si había alguna diferencia con o sin el láser", explica Aurélien Houard, científico investigador del Laboratoire d'Optique Appliquée (LOA) y coordinador del proyecto. "Comparamos los datos recogidos cuando el filamento láser se producía por encima de la torre y cuando ésta era alcanzada de forma natural por un rayo".
Se tardó casi un año en analizar la colosal cantidad de datos recogidos. Este análisis demuestra ahora que el láser LLR puede guiar los rayos con eficacia. El profesor Wolf explica además: "A partir del primer rayo en el que se utilizó el láser, comprobamos que la descarga podía seguir el rayo durante casi 60 metros antes de alcanzar la torre, lo que significa que aumentó el radio de la superficie de protección de 120 m a 180 m".
El análisis de los datos también demuestra que el LLR, a diferencia de otros láseres, funciona incluso en condiciones meteorológicas difíciles -como la niebla (frecuente en la cima del Säntis), que puede detener el haz-, ya que atraviesa literalmente las nubes. Hasta ahora, este resultado sólo se había observado en el laboratorio. El siguiente paso del consorcio será aumentar aún más la altura de acción del láser. El objetivo a largo plazo incluye utilizar el LLR para prolongar 500 m un pararrayos de 10 m.
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