Nad strelo z laserjem

    Malokdaj se ljudje počutimo tako majhne in nebogljene, kot med divjanjem nevihte. Strele ranijo vsako leto samo v ZDA okoli 500 ljudi in povzročijo za 100 milijonov dolarjev gospodarske škode, zato tamkajšnji znanstveniki ne stojijo križem rok. Letošnjo zimo bodo na Japonskem in v ZDA prvič poskušali udariti nazaj. Oboroženi z laserji usmerjenimi v nebo bodo poskušali razelektriti oblake še preden bi prišlo do udara strele.

     

    slika 1: Nevihtni oblak nad mestom

    Ideja o razelektritvi oblakov na ukaz se je prvič pojavila že v 1960-ih, ko so poskušali z raketami, ki bi za seboj vlekle dolge žice, umetno povezati nebo z zemljo in napraviti pot za kontrolirano razelektritev. Vendar se rakete niso prijele. Bile so predrage in premalo natančne, pa še nevarne za uporabo na gosto naseljenih področjih. Nekaj let kasneje so dobili novo idejo: oblake bi razelektrili z umetnimi strelami iz močne laserske svetlobe. Ker laser, podobno kot naravna strela, ionizira atome v zraku, postane sled žarka prevodna. Po njej steče presežek naboja z oblaka do zemlje še preden postane električno polje dovolj močno, da sproži pravo strelo. Seveda laserske svetlobe ne smemo poslati v nebo direktno, ampak samo preko dobro ozemljenega zrcala, ki prestreže večino sproščenega naboja, saj bi sicer umetna strela udarila naravnost v laserski vir in ga poškodovala.

    V Novi Mehiki dva ameriška fizika preizkušata idejo z uporabo ultravijoličnega laserja, ki ustvarja zelo kratke, le 200 femtosekundne svetlobne pulze. Fotoni v pulzu, med potjo skozi zrak, iztrgajo molekulam kisika in dušika zunanje elektrone in jih tako ionizirajo v plazmo (ime za stanje snovi, ko je večina elektronov ločenih od atomov). Čeprav bi fotoni izbili elektron le vsaki milijonti molekuli zraka, bi ostalo opravila kar nevihta sama. Teh nekaj izbitih elektronov bi se v močnem električnem polju pod oblakom zelo pospešilo v smeri navzgor, po trditvah obeh fizikov kar do desetine svetlobne hitrosti. Med potjo bi prej ali slej trčili v katero od molekul zraka in ji izbili nove elektrone. Tako bi sprožili nekakšno mini verižno reakcijo, ki bi ustvarila prevodno pot prav do oblakov.

    laser_3.jpg (12008 bytes)
    slika 2: Z laserjem nad strelo: ameriška izvedba s tremi vrstami laserjev; ultravijolični za izbitje elektronov, rdeči za preprečitev vezave elektronov s kisikom in infrardeči za izparitev megle in dežnih kapelj.

    Sliši se enostavno, vendar bomo videli, da se stvar kmalu zaplete. Čeprav se prevodna pot ustvari v pičlih 50 mikrosekundah, je to še zmeraj počasno v primerjavi z mehanizmi, ki tako pot uničujejo. V mnogo krajšem času – le nekaj nanosekund – se namreč prosti elektroni povežejo z molekulami kisika v negativne ione. Ti so sicer še zmeraj sposobni prenašati električni tok, vendar mnogo slabše kot prosti elektroni. Prevodnost ioniziranega pasu zraka je zato veliko manjša, kot bi bilo potrebno za proženje strele. Kaj storiti?

    Fizika sta ultravijolični laserski svetlobi dodala še rdeči laser, ki ima fotone z ravno pravšnjo energijo za razbijanje vezi med prostimi elektroni in molekulami kisika. Da bi sistem deloval v vsakem vremenu, sta dodala še infrardeči laser. Z njim izparita vodne kapljice na poti žarka, ki bi ob močnem nalivu gotovo ovirale pot laserski svetlobi proti oblakom.

    S poskusi v laboratoriju sta ustvarila do 25 centimetrov dolge pramene plazme, po katerih bi stekel naboj že pri eni četrtini jakosti električnega polja, kot ga potrebuje naravna strela. Prepričana sta, da bi njun sistem v naravnem okolju naredil dovolj dolg prevodni kanal, po katerem bi udarila kontrolirana strela, če bi le lahko napravo odpeljala v naravo pod nevihtne oblake. Njun laser trenutno zavzema skoraj celo sobo, zato še zdaleč ni dovolj mobilen za praktično uporabo. Če bodo sponzorji radodarni, sta prepričana, da bosta velikost prilagodila že do naslednjega poletja.

    Na drugi strani Pacifika se s sorodnimi idejami ukvarjajo tudi Japonci. Njihov pristop je malce drugačen, saj so prepričani, da ultravijolični laserji, zaradi specifične tehnološke izvedbe, niso dovolj močni za tvorbo umetne strele. Sami raje uporabljajo infrardeče laserje, ki oddajajo gostejše in energetsko močnejše pulze svetlobe. Z njimi ne ionizirajo zraka direktno, temveč ga segrejejo na žarečih 10 000 stopinj. Pri tej temperaturi razpadejo molekule nekaterih delcev v zraku (aerosol) in spotoma sprostijo še nekaj elektronov. Ti se v električnem polju pospešijo in, podobno kot v ameriškem modelu, s trki ustvarijo prevodno sled. Vendar taka sled ni povezana, kot v modelu z ultavijoličnim laserjem, ampak je sestavljena iz veliko zaporednih majhnih mehurčkov plazme, velikih le nekaj milimetrov. Nepovezano sled dobimo zaradi redke razporeditve aerosolovih delcev v zraku, ki tvorijo jedra ionizacije. A po trditvah japonskih fizikov to za model ni usodno, saj bi že en mehurček plazme na vsakih nekaj centimetrov poti zadostoval za sprožitev strele.

    laser_2.jpg (10768 bytes)laser_1.jpg (9702 bytes)
    sliki 3 in 4: Japonska prototipa uporabita samo infrardeč laser fokusiran s hiperboličnim zrcalom (levo), oziroma več zaporednih polprepustnih zrcal, ki usmerijo žarke na posamezne odseke poti proti oblakom (desno). Vse izvedbe imajo pred zrcali postavljene prevodne in ozemljene stolpe, ki pritegnejo strelo še preden bi lahko poškodovala napreve.

    Pri japonski izvedbi se težave prikažejo drugje. Močna laserska svetloba segreje zrak na svoji poti tako zelo, da postane neprosojen, kar močno zmanjša doseg ionizacije. Zaradi tega morajo žarek razdeliti na več šibkejših, ki potujejo po ločenih poteh in se šele na nebu ponovno združijo. V ta namen so razvili dva prototipa umetne strele. Prvi uporablja več zaporednih zrcal, ki svetlobo delno odbijejo, delno pa spustijo skozi (glej sliko). Po drugi varianti, pa bi prevodni kanal ustvarili s hiperboličnim zrcalom. Oba modela sta v laboratoriju ustvarila kanale plazme dolge okrog 10 metrov, po katerih bi udarila streja že pri petkrat manjši napetosti, kot je potrebna za naravno strelo.

    laser_4.jpg (6929 bytes)
    slika 5: Je strela na poti? Dosedanji japonski poskusi, da bi z laserjem zvabili strelo iz nevihtnega oblaka niso bili uspešni.

    Prvi praktični poskusi proženja umetnih strel, z gričev pokrajine Hokuriku na Japonskem pozimi leta 1993, niso bili uspešni. Znanstveniki pravijo da zaradi sneženja, ki je iz ozračja spralo delce aerosola, ki so nujno potrebni za tvorbo plazme. Kljub neuspehu, pa so raziskovalci delali naprej in, z močno finančno podporo japonskih elektrarn, še izboljšali sisteme za umetno strelo. Z malo sreče lahko že letošnjo zimo pričakujemo prve novice o uspešnih laserskih strelih, ki so razelektrili nevihtne oblake nad Japonsko.

    SD

     

    Deli