Come piegare il fulmine con un raggio laser

Controllare i fulmini è un'ambizione monumentale, ma è proprio ciò che un gruppo di scienziati europei ha fatto, anche se per breve tempo e con costi enormi. Lanciando un laser in un temporale svizzero, hanno potuto intravedere come un giorno potremmo esercitare le gigantesche forze dell'atmosfera.

"È la prima prova convincente di come possiamo controllare i fulmini in un ambiente di vita reale."

"Quello che sono riusciti a fare è impressionante", ha detto Matteo Clerici, professore di fotonica all'Università di Glasgow, non coinvolto nella ricerca. "È la prima prova convincente di come possiamo controllare i fulmini in un ambiente di vita reale."

Per fare ciò, il team, il cui lavoro è stato recentemente pubblicato su Nature Photonics, ha creato quello che è noto come filamento laser. Un filamento nasce dall'effetto di autofocalizzazione del laser mentre attraversa l'aria, che, come la luce solare che passa attraverso una lente d'ingrandimento convessa, concentra la sua potenza. L'energia diventa così intensa che "fa bollire" gli elettroni delle molecole d'aria, o li ionizza, per creare un plasma, una zuppa di materia surriscaldata. Quel raggio di plasma caldo è chiamato filamento.

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"Quando hai un laser molto potente, se lo spari in aria, formerà spontaneamente un filamento", ha detto il coordinatore dello studio Aurélien Houard del Laboratorio di ottica applicata dell'École Polytechnique di Parigi.

I filamenti espellono molecole d'aria, un processo che apre la strada all'imbuto nel fulmine. "Si crea un canale a densità inferiore", ha detto Houard. "In questo canale, la carica [fulminea] può andare più veloce che all'esterno." Il filamento diventa un percorso di minor resistenza lungo il quale l'elettricità viaggerà preferenzialmente come un tradizionale parafulmine metallico.

L’obiettivo finale, dicono i ricercatori, è utilizzare il dispositivo per deviare i fulmini lontano da aree sensibili come gli aeroporti. A causa della loro portata molto maggiore, i laser sarebbero in grado di proteggere un’area molto più ampia rispetto ai parafulmini metallici.

Il risultato è il culmine di oltre 2 decenni di ricerca e sperimentazione.

Per creare filamenti nell’atmosfera, i ricercatori utilizzano laser che emettono impulsi rapidi di durata inferiore a 1 trilionesimo di secondo. È la brevità che conferisce a questi laser la loro potenza, semplicemente perché è possibile concentrare più potenza nel picco di un impulso più breve rispetto a un raggio continuo. "L'idea di un laser corto è che con una quantità relativamente piccola di energia è possibile raggiungere un'intensità molto elevata", ha affermato Houard.

Precedenti tentativi di controllare i fulmini fallirono nel Nuovo Messico nel 2008 e a Singapore nel 2011. Houard ritiene che il fallimento sia dovuto, in parte, al fatto che i laser utilizzati non potevano pulsare abbastanza rapidamente da mantenere un canale a bassa densità nel filamento.

Quei laser potevano pulsare solo fino a 10 volte al secondo. Ma nello studio di Houard, i ricercatori hanno collaborato con un'azienda tedesca, TRUMPF Scientific Lasers, per progettare un laser in grado di pulsare 1.000 volte al secondo. La costruzione del dispositivo, il primo del suo genere mai realizzato, è costata più di 2 milioni di euro. "Lo sviluppo del laser è durato 2 anni, poi abbiamo avuto quasi 2 anni di test", ha detto Houard.

Il laser da 3 tonnellate è stato installato accanto a una torre delle telecomunicazioni in cima al monte Säntis in Svizzera, località nota per i frequenti fulmini. Gli scienziati hanno dovuto smontare la macchina, trasportare i pezzi in una gondola e utilizzare un grande elicottero per posizionarla sulla montagna.

L'installazione ha richiesto 3 mesi. "Dopo tanto tempo, fatica e denaro", ha detto Houard, "c'erano buone possibilità di non vedere assolutamente nulla. È stato un esperimento piuttosto rischioso".

Dopo aver acceso il laser e averlo puntato verso il cielo, tuttavia, i timori della squadra furono presto dissipati. Per un periodo di 2 mesi, hanno registrato i fulmini che seguivano il percorso del laser quattro volte. In un’occasione, il cielo era sufficientemente limpido da consentire alle telecamere di catturare un fulmine che seguiva il laser per circa 50 metri (160 piedi).