Forschenden ist es erstmals gelungen, Blitze mittels eines Laserstrahls umzuleiten. (Foto: Scientify – UNIGE)

Physik

Blitze umleiten mit Lasertechnik

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Jochen Steiner
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Ralf Kölbel

Blitze schlagen gerne in hohe Bauwerke ein, auch den 124 Meter hohen Telekommunikationsturm auf dem Schweizer Berg Säntis. Einer internationalen Forschergruppe ist es jetzt erstmals gelungen, mit Hilfe eines Laserstrahls Blitze gezielt zum Blitzableiter des Turms auf dem Säntis umzulenken.

Blitze können ungeschützt auch mal gefährlich werden. Sinnvoll sind deshalb Blitzableiter an Gebäuden, Türmen oder wie auf der Bodenseeinsel Mainau an mehreren Mammutbäumen. Frühere Versuche, Blitze mithilfe eines Laserstrahls abzulenken, sind fehlgeschlagen. In Zukunft könnten mit der Lasertechnik Flughäfen, Startrampen und große Infrastruktureinrichtungen besser vor Blitzeinschlägen geschützt werden, schreiben die Wissenschaftler im Fachmagazin Nature Photonics. Uwe Gradwohl aus der Wissenschaftsredaktion erläutert die Hintergründe.

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Wie funktioniert eigentlich ein traditioneller Blitzableiter?

Uwe Gradwohl: Da stellen wir uns klassischerweise diesen Metallstab vor, irgendwas Spitzes, das höher montiert ist als das Objekt, das man da schützen will. Und bei den Gewitter-Wetterlagen ist dann in den Wolken eine gewisse elektrische Ladung in der Luft. Die sorgt dafür, dass sich in dieser Metallspitze auch Ladungen ansammeln, dass es um diese Spitze ein elektrisches Feld gibt.

Dieses elektrische Feld wird dann unter Umständen auch so stark, dass die Luft ionisiert wird, dass es also dann geladene Teilchen in der Luft gibt. Und da, wo geladene Teilchen sind, ist dann auch die elektrische Leitfähigkeit ziemlich hoch. Das „freut“ den Blitz, das ist ein prima Lockmittel für den, da will er hin. Und so schafft man es über diese Fangeinrichtungen im Blitzableiter den Blitz abzulenken von dem Weg, den er vielleicht sonst einschlagen und eventuell Schaden anrichten würde.

Auf dem Telekommunikationsturm auf dem Säntis schlagen normalerweise jährlich 100 Blitze ein. Hier ist es auch erstmals gelungen, Blitze mit einem Laser umzuleiten. (Foto: Scientify – UNIGE)
Auf dem Telekommunikationsturm auf dem Säntis schlagen normalerweise jährlich 100 Blitze ein. Hier ist es auch erstmals gelungen, Blitze mit einem Laser umzuleiten. Scientify – UNIGE

Jetzt haben die Forscher in der Schweiz aber nicht so einen traditionellen Blitzableiter gebaut, sondern einen Laser eingesetzt. Wie funktioniert das?

Uwe Gradwohl: Man würde denken, die nehmen jetzt diese Gewalt des Lasers und ionisieren damit die Luft. Und dann haben wir denselben Effekt wie bei dieser Metallspitze. Das ist aber nicht so, sondern beim Laser verketten sich ein paar physikalische Prozesse, die wir jetzt nicht im Detail auseinandernehmen müssen. Aber das Ende der Geschichte ist, dass entlang des Laserstrahls immer wieder Abschnitte in der Atmosphäre, in der Luft entstehen, die weniger dicht sind als die Umgebungsluft, weil dort Luft erhitzt wird. Das ist der eine Effekt.

Dadurch wird im Verlauf des Laserstrahls die Luft ein bisschen dünner. Dann sind da durchaus noch geladene Moleküle oder Elektronen in diesen etwas dünneren Bereichen drin. Mit anderen Worten diese etwas dünneren Bereiche, die sind wieder ein prima Lockmittel für den Blitz. Das hat man sich jedenfalls bislang so gedacht, und das hat auch im Labor schon funktioniert. Aber im Freien hat es bislang nicht funktioniert. Aber dieses Mal ist es wohl tatsächlich gelungen, mit diesem Lockmittel. Mit diesen etwas dünneren Abschnitten, sogenannten Filamenten, entlang des Laserstrahls in der Luft ist es den Forschenden gelungen, den Blitz anzulocken.

Was haben die Forscherinnen und Forscher genau gemacht, um das hinzubekommen?

Uwe Gradwohl: Der Säntis ist ein Berg in der Schweiz. Dort hat man sich stationiert mit einem Laser neben dem über 100 Meter hohen Telekommunikationsturm. Von diesem Turm weiß man, dass der hundert Mal im Jahr von Blitzen getroffen wird. Auf natürliche Art und Weise kommen da Gewitter vorbei, und er wird hundert Mal getroffen. Im Sommer 2021 hat man dann diesen Laser stationiert, und in der Zeit wurde der Turm 16-mal von Blitzen getroffen. Und vier Stück kamen tatsächlich in der Zeit, in der dieser Laser in Betrieb war.

Und jetzt ist auch wichtig zu wissen: Diese besonderen Abschnitte entlang des Laserstrahls beginnen nicht sofort, sozusagen am Ausgang des Lasers, wo der Strahl beginnt, sondern dieser Effekt stellt sich erst nach einem gewissen Laufweg des Lichtstrahls des Laserstrahls ein. Also so nach hundert Metern ungefähr.

Forschenden ist es erstmals gelungen, Blitze mittels eines Laserstrahls umzuleiten. Hier zu sehen ist eine wissenschaftliche Rekonstruktion des Vorgangs. (Foto: Scientify – UNIGE)
Forschenden ist es erstmals gelungen, Blitze mittels eines Laserstrahls umzuleiten. Hier zu sehen ist eine wissenschaftliche Rekonstruktion des Vorgangs. Scientify – UNIGE

Man hat also erst nach 100 Metern Filamente, die diese Eigenschaften aufweisen, dass sie Lockmittel sind für den Blitz. Und der Turm ist eben auch rund 124 Meter hoch. Man hat den Laser also unten am Turm platziert, hat dann am Turm entlang den Laser in die Höhe gerichtet, hat dort tausend Mal pro Sekunde einen Licht/Laserimpuls in die Höhe geschossen, hat dann diese Filamente erzeugt und konnte dann eben auf Aufnahmen von Hochgeschwindigkeitskameras auch deutlich sehen, dass sich der Blitz tatsächlich entlang dieser besonderen, dieser verdünnten Luft, dieser luftarmen Bereiche entlang des Laserstrahls orientiert hat.

Das lief so ab, dass der Blitz auch an der Turmspitze begonnen hat und sich dann in Richtung Wolken ausgebreitet hat. Das ist ja nicht immer, dass die Blitze tatsächlich von oben nach unten sich ausbreiten, es gibt ja auch die andere Richtung. Und in dem Fall war es eigentlich so, dass man über diesen Laser dem Blitz den Weg gewiesen hat von der Turmspitze weg in die Höhe.

Umgekehrt wäre es wahrscheinlich auch möglich, dass man einen Blitz direkt zum Blitzableiter lenkt, wo man ihn haben will und dass er nicht daneben einschlägt und Gebäude zerstört. Man muss den Blitz immer noch irgendwie zum normalen Blitzableiter bringen. Der Laser leitet ihn ja nicht irgendwohin, sondern der lockt ihn quasi zu der Stelle, wo er dann über einen ganz normalen Draht vom Blitzableiter in den Boden gelenkt werden kann und dann eben keinen Schaden mehr anrichtet.

Blitzableiter sollen dabei helfen, vor Schäden durch Blitzeinschlag zu schützen. Hier schlägt gerade ein Blitz in den Münchener Fernsehturm ein. (Foto: IMAGO,  imago/K-P Wolf)
Blitzableiter sollen dabei helfen, vor Schäden durch Blitzeinschlag zu schützen. Hier schlägt gerade ein Blitz in den Münchener Fernsehturm ein. imago/K-P Wolf

Was haben die Wissenschaftler und Wissenschaftler in der Schweiz anders gemacht als die Kollegen früher, bei denen es nicht funktioniert hat?

Uwe Gradwohl: Die haben mit ihrem Laser tausend Mal pro Sekunde gefeuert, Impulse in die Atmosphäre geschossen. Bei früheren Experimenten war das wesentlich weniger, im Bereich von zehn Schüssen pro Sekunde und diese Zahl tausend pro Sekunde, das ist ungefähr auch die Anzahl an Veränderungen, die das elektrische Feld beim Vorüberziehen von so einer Gewitterfront pro Sekunde auch mit sich bringt. Also man kann sich das so vorstellen, dass bis zu tausend Mal pro Sekunde auch so eine Art Blitz-Vorläufer in der Atmosphäre oder nahe an solchen Stellen wie der Turmspitze zustande kommt. Das ist noch kein Blitz. Aber es sind die Grundvoraussetzungen vorhanden, dass ein Blitz ausgelöst werden könnte, tausend Mal pro Sekunde.

Wenn ich tausend mal pro Sekunde, dann in derselben Rate ungefähr auch diese besonderen Filamente in der Luft erzeuge, habe ich eben eine größere Chance, dass es auch tatsächlich zusammenpasst, dass so ein leitendes Filament auch dann da ist, wenn gerade ein Blitz entsteht. Und von daher erklärt man sich jetzt diesen Erfolg, dass man eben immerhin vier Blitze auf diese Art und Weise beeinflussen konnte. Bei einem konnte man es dann auch tatsächlich dokumentieren im Bild und das sind immer noch keine großen Zahlen. Also da muss noch weiter geforscht werden. Es ist wirklich ein erster Schritt in diese Richtung der Blitzableitung durch Laser.

Das heißt, bis ich mein Laser-Blitzableitungsgerät im Elektronikmarkt um die Ecke kaufen kann, dauert es noch ein bisschen?

Das wird sicherlich noch dauern. Das Schöne ist ja auch: Man kann dann sicherlich über eine größere Entfernung, wenn man das mal richtig raffiniert betreibt, Blitze ablenken. Also man kann größere Bereiche mit einem Laser beeinflussen. Nachteil ist natürlich, das ist ein aktives System. Ein Blitzableiter, der nur aus dem Metallstab besteht funktioniert immer. Der Laser braucht selbst erst mal einen Stromanschluss, dass er funktioniert. Und wenn dann der Blitz nur in der Umgebung einschlägt und mir die Stromleitung zerstört, dann ist auch mein Blitzschutz weg.

Von daher vermute ich, dass es eher so ein ein Zusatzgerät sein könnte für Bereiche, die man wirklich sehr gut vor Blitzen schützen will. Denn der normale Blitzableiter schützt auch schon zu über 90 Prozent und die letzten Prozent zu hundert Prozent kriegt man dann vielleicht über so ein System irgendwann dann noch hin.

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