Der Blitz-Auslöser
Mit Laserstrahlen wollen Forscher gezielt Blitze zu Blitzableitern führen. Der Laser für das ehrgeizige Projekt ist kürzlich fertig geworden.
Auf dem Schweizer Berg Säntis erforschen Wissenschaftler Blitze.
(Bild: European LLR)
Rund 450.000-mal pro Jahr schlägt der Blitz in Deutschland ein. Dabei entladen sich jedes Mal gewaltige Energiemengen von mehreren Hundert Kilowattstunden. Kein Wunder, dass Blitze so zerstörerisch wirken. 2018 trafen diese Blitze 290.000-mal Gebäude. Nach Angaben des Gesamtverbandes der Deutschen Versicherungswirtschaft entstanden dabei Schäden von rund 280 Millionen Euro.
Seit Jahrzehnten arbeiten Forscher weltweit daran, diese Schäden zu minimieren. Sie wollen Gewitter lenken und steuern, sie rechtzeitig auslösen, sodass die Wolken abregnen und weder durch Blitz noch durch Hagel große Schäden entstehen. Meist werden die Wolken mit Silberjodid-Kristallen"geimpft" – beispielsweise in Bayern zur Hagelabwehr. Die Kristalle bilden Kondensationskeime und bringen die Wolken so zum Abregnen. Doch "trotz 70 Jahren Forschung gibt es keinen Konsens" über die Wirksamkeit und die ökologischen Folgen dieser Methode, schreibt der Blitzforscher Jean-Pierre Wolf von der Universität Genf.
Schwierige Aufgabe: Blitze einfangen
Auch Versuche, Blitze mithilfe von Raketen, an denen ein langer Draht befestigt ist, vom Himmel zu holen, haben sich nicht wirklich bewährt. Denn die Raketen sind teuer, und sie stürzen nach dem Aufstieg unkontrolliert ab – was in der Nähe von Flughäfen keine gute Idee ist. Zudem hatten frühere Versuche mit solchen Systemen nur eine Erfolgsquote von 60 Prozent.
Wolf und seine Kollegen vom europäischen Projekt "Laser Lightning Rod" setzen daher auf eine andere Methode: Sie wollen mithilfe von Laserstrahlen Luft ionisieren und so einen Plasmakanal mit sehr viel höherer Leitfähigkeit schaffen als die der Umgebung. "Das ist so, als ob Sie da oben einen Kupferdraht spannen würden", sagt Knut Michel, Geschäftsführer von Trumpf Scientific Lasers. Der Plasmakanal – oder das Filament, wie die Blitzforscher sagen – leitet den Blitz dann direkt zu einem geeigneten Blitzableiter.
Ganz so einfach ist die Sache allerdings nicht. "Sie wollen Ihren Plasmakanal nicht da erzeugen, wo Ihr Laser steht, sondern in den Wolken", sagt Michel. Zu diesem Zweck erzeugen die Forscher einen Laserstrahl, der nur ganz leicht fokussiert ist. Noch vor dem Brennpunkt dieses Strahls ist die Feldstärke jedoch so hoch, dass nichtlineare Effekte eintreten. "Die Intensität des Lasers ändert den Brechungsindex der Luft. Das führt dazu, dass der Laser sich selber weiter einschnürt – eine Selbstfokussierung", sagt Michel. Dadurch steigt die Intensität des Laserlichts weiter an und wird so groß, dass die elektromagnetischen Wellen den Atomen der Luft die Elektronen entreißen.
Plasmakanal für Blitze erzeugen
Es entsteht ein heißes Plasma, das sich ausdehnt. "Wenn man das aber geschickt macht, entsteht mit der Selbstfokussierung ein Gleichgewicht der Kräfte", sagt Michel. Weil Laser dieser Leistungsklasse aber nur gepulst funktionieren, bricht das Filament nach einigen Millisekunden zusammen. Dann braucht es einen weiteren Laserpuls für einen neuen Plasmakanal.
1999 konnte der Japaner Shigeaki Uchida von der Osaka University erstmals außerhalb des Labors zeigen, dass die Idee tatsächlich funktioniert. Jedenfalls im Prinzip. Weil die Laser nicht leistungsfähig genug waren, erzeugten die Japaner einen Plasmakanal wenige Meter über einem Turm mit einem Blitzableiter. Zweimal gelang es ihnen auf diese Weise, einen Blitz abzuleiten – statistisch aussagekräftig ist das nicht.
Erst 2008 testeten Wolf und seine Kollegen erneut das Konzept im Freiland. Mit einem deutsch-französischen Laser namens Teramobile – einem gepulsten Terawatt-Laser, der in Standardcontainer eingebaut und damit "mobil" war. Die Forscher unternahmen einen dreimonatigen Feldversuch in Zusammenarbeit mit dem Langmuir Lab, einem Atmosphären-Forschungsinstitut in den Bergen von New Mexico.
Eigentlich ist dieses Gebiet bekannt für seine häufigen Gewitter, doch Wolf und seine Kollegen hatten Pech: Ausgerechnet in diesen drei Monaten registrierten sie gerade mal zwei Gewitter. Mit ihrem Teramobile-Laser konnten die Forscher tatsächlich Blitze auslösen – allerdings nur zwischen den Wolken. Es gelang ihnen nicht, Blitze zu Boden zu leiten. Ihre Vermutung: Die durch den Laser geschaffenen Kanäle brachen zu schnell wieder in sich zusammen. Der damalige Laser konnte nur zehnmal pro Sekunde feuern – offenbar zu selten.
Erstes Experiment mit neuem Laser steht an
Jetzt hat der Laserhersteller Trumpf einen Laser konstruiert, der nicht nur zehn, sondern tausend Pulse pro Sekunde abschießen kann. Er basiert auf Kernkomponenten von Hochleistungs-Industrielasern. Die eigentliche Laserquelle – der Oszillator – ist ein Faserlaser mit bis zu 50 Mikrojoule Pulsenergie. Die werden dann durch zwei Verstärkerstufen geleitet, in denen insgesamt fünf dünne Scheiben aus Yttrium-Aluminium-Granat sitzen, das mit Ytterbium dotiert wurde.
Das Laserlicht wird mithilfe einer trickreichen Spiegeloptik bis zu 20-mal durch jede Scheibe geschickt, um schließlich auf 600 Millijoule verstärkt zu werden. Das klingt nicht nach besonders viel, da die Pulse aber kürzer als eine Pikosekunde sind, kommt jeder Puls auf eine Leistung von rund 600 Gigawatt. Eintausendmal pro Sekunde.
In ersten Laborexperimenten bei Trumpf durch Wissenschaftler der Universität Genf und des Laboratoire d’Optique Appliquée (LOA) aus Paris erwiesen sich die mit diesem Laser erzeugten Filamente als zehnmal stabiler als bisher. Offenbar kann der schneller feuernde Laser schnell genug Energie nachliefern. Im Sommer dieses Jahres soll das eigentliche Experiment in einer Wetterstation in der Ostschweiz beginnen. Auf dem Berg Säntis befindet sich ein Fernsehturm, den Forscher der ETH Lausanne mit eigens entwickelten Sensoren ausgestattet haben, um Blitze anzuziehen und zu messen. Danach sollte klar sein, ob der Laser als Blitzableiter tatsächlich eine Zukunft hat.
(wst)
