Il raggio laser che funziona come parafulmine

Il fulmine è uno dei fenomeni naturali più estremi. Si tratta di una brusca scarica elettrostatica di milioni di volt di e centinaia di migliaia di ampere, che può scatenarsi in una singola nuvola, tra più nuvole, tra una nuvola e il suolo e viceversa. Tanto affascinanti quanto distruttivi, i fulmini sono responsabili di più di 4 mila morti all'anno e di danni per diversi miliardi di euro.

Il parafulmine. I dispositivi di protezione dai fulmini sono cambiati poco dal 1752, quando Benjamin Franklin inventò il parafulmine, ovvero un palo appuntito e conduttivo fatto di metallo collegato al suolo. L'asta tradizionale è ancora oggi la forma più efficace di protezione esterna: protegge una superficie con un raggio più o meno uguale alla sua altezza: poiché l'altezza quest'ultima è inevitabilmente limitata, non si tratta di un sistema ottimale per proteggere siti sensibili su grandi aree, come aeroporti, un parchi eolici o centrali elettriche.

Ora un consorzio europeo guidato dall'Università di Ginevra e dall'École Polytechnique di Parigi, in collaborazione con una serie di aziende, ha deciso di affrontare il problema e sembra aver trovato una soluzione. I risultati, pubblicati su Nature Photonics, sono le conclusioni di un lavoro realizzato su un dispositivo noto chiamato Laser Lightning Rod (LLR).

Il plasma che attira. Attraverso il raggio genera canali di aria ionizzata, in grado di guidare i fulmini lungo il suo percorso. E poiché il raggio laser si può estendere di molto verso l'alto, rispetto ad un parafulmine tradizionale, aumenta notevolmente l'altezza di "cattura" del fulmine e così cresce la superficie dell'area che il dispositivo può proteggere. «Quando nell'atmosfera vengono emessi impulsi laser di altissima potenza, all'interno del raggio si formano filamenti di luce molto intensa», spiega Jean-Pierre Wolf, professore ordinario presso il Dipartimento di Fisica Applicata dell'Università di Ginevra e autore dello studio. «Questi filamenti ionizzano le molecole di azoto e ossigeno nell'aria, le quali rilasciano elettroni, liberi di muoversi», continua il professor Wolf. «Questa aria ionizzata, plasma, diventa un conduttore elettrico che richiama il fulmine».

Il progetto Laser Lightning Rod ha comportato lo sviluppo di un nuovo laser con una potenza media di un kilowatt. L'asta è larga 1,5 metri, lunga 8 e pesa più di 3 tonnellate; è stata progettata dal produttore di laser scientifici Trumpf. Questo sistema è stato testato nell'estate 2021 sulla vetta del Säntis (in Appenzello, nel nord est della Svizzera, a quota 2.502 metro) già "utilizzato" in passato per osservare i fulmini.

Il laser è stato posto sopra una torre trasmittente di 124 metri d'altezza appartenente al fornitore di telecomunicazioni Swisscom, che era dotata di un tradizionale parafulmine. Questa è una delle strutture più colpite dai fulmini in Europa.

E ora? Ci è voluto quasi un anno per analizzare l'enorme quantità di dati raccolti. Questa analisi mostra ora che il laser LLR può guidare efficacemente i fulmini. Il professor Wolf spiega inoltre: «Abbiamo scoperto che la scarica poteva seguire il raggio per quasi 60 metri prima di raggiungere la torre, il che significa che aumentava il raggio della superficie protetta da 120 metri a 180 metri». L'analisi dei dati dimostra anche che l'LLR, a differenza di altri laser, funziona anche in condizioni meteorologiche difficili, come la nebbia (spesso presente in cima al Säntis), poiché perfora letteralmente le nuvole.

Questo risultato era stato precedentemente osservato solo in laboratorio. Il prossimo passo per il consorzio sarà aumentare ulteriormente l'altezza dell'azione del laser. L'obiettivo a lungo termine prevede l'utilizzo del LLR per estendere l'area protetta a un raggio di 500 metri.