Cientistas usam feixe de laser para desviar raios

Os sistemas de raios guiados por laser poderão um dia oferecer proteção muito maior do que os pára-raios.

Às vezes, uma conquista científica não precisa de propaganda para soar legal. O raio guiado por laser é um desses casos. Desde a época de Benjamin Franklin , procuramos maneiras de controlar, ou pelo menos desviar, os raios. O método mais comum para desviar raios atualmente é o pára-raios, mas a tecnologia sofre uma grande limitação: a zona de proteção oferecida pelo bastão estende-se aproximadamente até a altura do bastão.

O uso de lasers para guiar o caminho do raio pode criar zonas de proteção muito maiores. Os cientistas tentaram pela primeira vez controlar o caminho de um raio com um laser em 1999. Agora, os cientistas estão relatando a primeira demonstração bem-sucedida de raios guiados por laser. As fotos de um dos experimentos falam por si:

 

Por que funciona? O poder de um laser muito grande quebra a própria atmosfera, criando um caminho para o raio. O laser dispara pulsos de luz, em vez de um feixe contínuo. Cada pulso carrega aproximadamente um terawatt – um milhão de milhões de watts – de energia instantânea. Essa quantidade de energia só pode ser fornecida por um período de tempo muito pequeno, cerca de um picossegundo ou um milionésimo de um milissegundo. Você pode imaginar um laser blaster de ficção científica: o pulso é um segmento de linha móvel, disparado para o ar. (A explosão tem cerca de um milímetro de comprimento, desfocaria o movimento em um feixe em nossos olhos e é feita de fótons infravermelhos, portanto, não a imagine muito literalmente.)

O enorme poder do pulso diminui a velocidade da luz no ar através do qual ela viaja. Este é um processo óptico não linear: jargão para um efeito que só é observado em intensidades de luz extremamente altas, como um poderoso pulso de laser. A densidade de potência no pulso aumenta à medida que o pulso diminui, aumentando o efeito e criando um loop de feedback. O pulso do laser passa por autofocalização: o próprio ar age como uma lente cada vez mais forte, reduzindo continuamente a potência do laser em um pulso mais intenso. Isso continua até que o ar seja ionizado: os átomos e seus elétrons são separados, formando o plasma. Elétrons liberados no plasma neutralizam o foco.

Por um breve período, o autofoco do laser e o desfoque dos elétrons se equilibram, formando um filamento de plasma ao longo do caminho do pulso. Eventualmente, a energia do pulso é dissipada e o processo de autofocalização cai, fechando o tubo do filamento. Os filamentos criados neste experimento tinham aproximadamente 30 m – cerca de 100 pés – ou mais de comprimento.

 

Ao longo do comprimento do filamento, as infelizes moléculas de ar atingidas pelo pulso são despojadas de elétrons e então lançadas para a atmosfera circundante. O filamento colapsa em talvez um nanossegundo, mas deixa para trás um tubo de ar alterado que permanece por um tempo relativamente longo: aproximadamente um milissegundo. Dentro do tubo, alguma combinação de menor densidade de ar e maior densidade de elétrons parece fornecer um caminho atraente para o fluxo de elétrons.

Tendo estabelecido o caminho tentador para um raio viajar, as condições ambientais devem então conspirar para enviar tal raio. A equipe instalou o laser ao pé de uma torre de telecomunicações no topo de uma montanha na Suíça. Eles apontaram o feixe do solo próximo à torre, passando logo acima da ponta da torre em um pequeno ângulo. O site suíço experimenta cerca de 100 relâmpagos por ano, quase todos os quais são para cima, saltando da ponta da torre para o céu.

Executando o laser durante tempestades, a equipe de pesquisa observou pelo menos uma dúzia de descargas elétricas que não seguiram o caminho do laser, juntamente com quatro descargas ascendentes que começaram na ponta da torre, ligaram-se ao filamento e depois subiram ao longo do filamento antes de descarregar. na nuvem acima. Um golpe foi capturado – nas imagens acima – por câmeras. Os flashes restantes foram confirmados pela emissão de ondas de rádio de frequência muito alta (VHF) e raios-X emitidos ao longo do caminho do raio. As emissões VHF podem ser trianguladas por duas antenas de medição, mapeando e cronometrando o caminho do raio para criar um caso convincente de que o raio viaja ao longo do caminho do laser. As imagens vendem a história , mas os mapas VHF são os dados concretos.

Todos os ataques guiados enviaram carga elétrica em uma direção, chamada de positiva sob as estranhas convenções da física atmosférica. Os elétrons reunidos na terra subiram pela torre e dispararam em direção às nuvens carregadas positivamente (pobres de elétrons) acima. A maioria dos ataques no local suíço – e em todos os lugares da Terra – são negativos : a nuvem descarrega elétrons no solo. A equipe conjectura sobre por que eles pegaram elétrons viajando apenas em uma direção ao longo do filamento, quando deveria ser uma via de mão dupla.

Sua explicação se baseia nos comprimentos das serpentinas . Essas pequenas faíscas emanam de objetos carregados dentro de um campo elétrico; se eles se conectarem, eles formam o caminho para um ataque. Tanto o topo da torre quanto a parte inferior do filamento acima dela emitem flâmulas uma na direção da outra. Quanto mais longe eles alcançam, maior a probabilidade de se conectarem. Sob as condições elétricas da tempestade, as serpentinas positivas do filamento tendem a se estender mais antes de um raio positivo do que as serpentinas positivas se estendem da torre quando um raio negativo é iminente.

A equipe oferece mais conjecturas sobre por que eles tiveram sucesso onde os esforços anteriores falharam. Uma razão pode ser que seu laser dispara 1.000 pulsos por segundo (1 kHz), tornando muito mais provável que um pulso tenha acabado de disparar no instante em que um raio está pronto para cair. Se os filamentos realmente duram cerca de um milésimo de segundo, então o ar acima da torre tem um filamento pronto para raios quase continuamente quando o laser está ligado. O fogo pesado do laser também pode acumular as moléculas de oxigênio carregadas positivamente cuspidas dos filamentos, ajudando a preparar o ar.

O relatório científico é relativamente curto, destacando a demonstração em si, mas apenas aprofundando brevemente os detalhes. É claro que a maioria dos relâmpagos não percorreu o caminho do laser. O raio guiado por laser ainda está em fase de pesquisa: funciona ocasionalmente, por razões não totalmente compreendidas, sob condições impraticáveis ​​e caras. Tendo mostrado que isso pode ser feito, a ciência agora tentará entendê-lo completamente, torná-lo consistente e ver se é prático no mundo real. Enquanto isso, podemos esperar por mais belas fotos demonstrando esse golpe de engenho.

Via Science Alert