Los rayos han fascinado y aterrado a la humanidad desde tiempos inmemorables. Incendios forestales, cortes de electricidad, infraestructuras dañadas y hasta 24.000 muertes al año son causadas por este impresionante fenómeno natural. 

Sin embargo, los dispositivos de protección contra el rayo han cambiado poco desde 1752, cuando Benjamin Franklin inventó el pararrayos, un mástil metálico puntiagudo y conductor conectado a tierra. El pararrayos tradicional sigue siendo hoy en día la forma más eficaz de protección externa: protege una superficie con un radio más o menos igual a su altura. Así, una barra de 10 m de altura protegerá una zona de 10 m de radio. Sin embargo, como la altura de los mástiles no es ilimitadamente extensible, no es un sistema óptimo para proteger lugares sensibles en una zona amplia, como un aeropuerto, un parque eólico o una central nuclear.

Un consorcio europeo formado por la Universidad de Ginebra (UNIGE), la École Polytechnique (París), EPFL, hes-so y TRUMPF scientific lasers (Múnich) han desarrollado una alternativa realmente prometedora: el pararrayos láser. Mediante la generación de canales de aire ionizado, el pararrayos láser se utilizó para guíar los rayos a lo largo de su haz. Al extenderse hacia arriba a partir de un pararrayos tradicional, podía aumentar su altura prácticamente tanto como la superficie de la zona que protege.

“Cuando se emiten pulsos láser de muy alta potencia en la atmósfera, se forman filamentos de luz muy intensa en el interior del haz. Estos filamentos ionizan las moléculas de nitrógeno y oxígeno del aire, que liberan electrones que quedan libres para moverse. Este aire ionizado, llamado ‘plasma’, se convierte en conductor eléctrico, pudiendo guíar las descargas de rayos a distancias considerables”, explica Jean-Pierre Wolf, profesor titular del Departamento de Física Aplicada de la Sección de Física de la Facultad de Ciencias de la UNIGE

Para comprobar la efectividad de este pararrayos láser, durante el verano 2021 se llevó a cabo una campaña experimental en la montaña Säntis, en el noroeste de Suiza, con un láser de teravatio de alta tasa de repetición. Los resultados, publicados recientemente en la revista científica Nature Photonics, muestran la viabilidad del mismo, pudiendo desviar rayos a varias decenas de metros, incluso con mal tiempo. 

Funcionamiento del pararrayos láser

El principio del pararrayos láser (o de filamentos) es el siguiente: se envían pulsos láser intensos y cortos hacia las nubes y durante su propagación sufren un proceso de filamentación. En primer lugar, el pulso láser reduce su tamaño debido al cambio del índice de refracción del aire inducido por el láser, que actúa como una serie autogenerada de lentes cada vez más convergentes. Finalmente, el pulso láser se vuelve lo suficientemente intenso como para ionizar las moléculas de aire en un proceso de alto campo.

La propagación posterior del pulso láser se rige por una competición dinámica entre el autoenfoque del haz y el efecto de desenfoque debido a la presencia de electrones libres. Esta competición mantiene canales estrechos de pulsos láser ionizantes a lo largo de grandes distancias. A lo largo de estas regiones filamentosas, las moléculas de aire se calientan rápidamente por la energía láser absorbida y son expulsadas radialmente a velocidad supersónica, dejando tras de sí canales de aire de larga duración con densidad reducida. 

Estos canales de baja densidad de milisegundos de duración tienen una conductividad electrónica más elevada y, por consiguiente, ofrecen una vía privilegiada para las descargas eléctricas. Se han demostrado en laboratorio descargas eléctricas de metros de longitud provocadas y guiadas por filamentos y se ha comprobado que pueden competir con éxito con los pararrayos tradicionales. 

La longitud ionizada de la filamentación puede alcanzar los cien metros cuando la potencia del impulso inicial de duración de picosegundos se sitúa en el rango de los teravatios.  El proceso de filamentación puede controlarse para que se inicie hasta a un kilómetro de distancia de la fuente láser. Por lo tanto, es concebible que los canales filamentosos puedan servir para guiar y posiblemente incluso desencadenar descargas de rayos en condiciones meteorológicas adecuadas.

Resultados en el mundo real 

Para comprobar la realidad de estos resultados obtenidos en laboratorio, los investigadores hicieron una campaña experimental llevada a cabo durante el verano de 2021 en la montaña Säntis (Suiza). 

“La principal dificultad era que se trataba de una campaña a escala real. Tuvimos que preparar un entorno en el que pudiéramos instalar y proteger el láser”, explica Pierre Walch, estudiante de doctorado del Laboratoire d’Optique Appliquée (LOA).

Se instaló un láser Yb:YAG que emitía pulsos de picosegundos de duración y 500 mJ de energía a una longitud de onda de 1.030 nm y a una frecuencia de repetición de 1 kHz en las proximidades de una torre de telecomunicaciones de 124 m de altura situada en la cima de la montaña Säntis. 

Esta torre, que es alcanzada por un rayo unas 100 veces al año, está equipada con múltiples sensores para registrar la corriente del rayo, campos electromagnéticos a varias distancias, rayos X y fuentes de radiación de las descargas del rayo. 

Los impulsos láser se dirigieron hacia arriba, con una trayectoria de propagación que pasa en las proximidades de la punta de la torre, equipada con una varilla Franklin. Basándose en los resultados de una campaña preliminar de propagación horizontal en laboratorio, las condiciones del láser se ajustaron de modo que el inicio del comportamiento filamentoso comenzara cerca de la punta de la torre, pero por encima de ella, y tuviera una longitud de al menos 30 m.

El láser se activaba cada vez que se preveía actividad tormentosa entre junio y septiembre de 2021. La zona tuvo que cerrarse previamente al tráfico aéreo. “El objetivo era ver si había alguna diferencia con o sin el láser. Comparamos los datos recogidos cuando el filamento láser se producía por encima de la torre y cuando ésta era alcanzada de forma natural por un rayo”, explica Aurélien Houard, científico investigador del Laboratoire d’Optique Appliquée (LOA) y coordinador del proyecto.

Después de casi un año para analizar la gran cantidad de datos recogidos, el análisis de los mismos demuestra la efectividad del pararrayos láser para guiar los rayos con eficacia. El profesor Wolf lo explica con más detalle: “A partir del primer rayo en el que se utilizó el láser, comprobamos que la descarga podía seguir el rayo durante casi 60 metros antes de alcanzar la torre, lo que significa que aumentaba el radio de la superficie de protección de 120 m a 180 m”.

El análisis de los datos también demuestra que el pararrayos laser , a diferencia de otros láseres, funciona incluso en condiciones meteorológicas difíciles -como la niebla (frecuente en la cumbre del Säntis), que puede detener el haz-, ya que atraviesa literalmente las nubes. Hasta ahora, este resultado sólo se había observado en el laboratorio. El siguiente paso del consorcio será aumentar aún más la altura de acción del láser. El objetivo a largo plazo incluye utilizar el pararrayos láser para prolongar 500 m un pararrayos de 10 m.

Puede acceder al paper de la investigación a través del siguiente enlace:

https://www.nature.com/articles/s41566-022-01139-z

Imagen de portada: “Laser-guided lightning”, 2022. Nature Photonics – Xavier Ravinet – UNIGE.