文|創(chuàng)瞰巴黎
導(dǎo)讀
傳統(tǒng)避雷針只能通過吸引雷電避免雷擊的直接破壞，卻無法避免電子干擾、電涌等雷擊等間接危害，甚至?xí)⑵浞糯?。法國國立高等先進(jìn)技術(shù)學(xué)校聯(lián)合多方團(tuán)隊(duì)研發(fā)的激光避雷技術(shù)，可以擴(kuò)大雷擊保護(hù)范圍，引導(dǎo)雷電的走向。
一覽：
- 雷擊每年導(dǎo)致全球范圍6千到2.4萬人死亡。
- 傳統(tǒng)避雷針用于抵御雷擊，但覆蓋范圍小，還可能增強(qiáng)電子干擾或電涌等間接危害。
- 激光避雷針項(xiàng)目希望能用激光避雷針引導(dǎo)雷擊路徑。
- 激光避雷針技術(shù)使用超強(qiáng)超短每秒1000脈沖的激光。
- 激光可以讓雷電“繞路”，但其保護(hù)效果仍有待進(jìn)一步優(yōu)化。
國立高等先進(jìn)技術(shù)學(xué)校研究員Aurélien Houard正牽頭一個(gè)歐盟資助的研究團(tuán)隊(duì)。該團(tuán)隊(duì)聚集了日內(nèi)瓦大學(xué)、瑞士西北應(yīng)用科學(xué)與藝術(shù)大學(xué)、瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院三所高校的力量，參與方還包括德國通快集團(tuán)的Scientific Lasers子公司、André Mysyrowicz教授（顧問）、阿麗亞娜空間公司。團(tuán)隊(duì)研發(fā)的激光光絲技術(shù)可以引導(dǎo)雷擊路徑，相比傳統(tǒng)避雷針，這一技術(shù)應(yīng)用對機(jī)場等重要基礎(chǔ)設(shè)施也許能起到更好的保護(hù)效果。
雷電是一種嚴(yán)重的自然災(zāi)害，每年在全球范圍造成6千到2.4萬人死亡，還會(huì)導(dǎo)致斷電、森林火災(zāi)、電子設(shè)備損壞，每年引發(fā)價(jià)值數(shù)十億美元損失。
雷電產(chǎn)生，是因?yàn)槔子暝浦斜У内「健⑺卧诳諝鈱α髦衅扑?，空氣電離形成等離子體，產(chǎn)生大量正負(fù)電荷，達(dá)到一定電位差后就會(huì)放電。
現(xiàn)在最主流的避雷方法仍是300年前本杰明·富蘭克林發(fā)明的避雷針。避雷針由導(dǎo)電金屬制成，引導(dǎo)雷電向避雷針放電，并將電流導(dǎo)入大地。但這種避雷針覆蓋范圍有限，保護(hù)區(qū)域半徑不超過其自身高度。而且傳統(tǒng)避雷針結(jié)構(gòu)只能通過吸引雷電避免雷擊的直接破壞。對于電子干擾、電涌等雷擊等間接危害，避雷針甚至?xí)⑵浞糯蟆?/p>
01 森蒂斯峰上的“移動(dòng)避雷針”
早在上世紀(jì)70年代，科學(xué)家便開始考慮使用強(qiáng)力激光避雷針作為一種新型的“移動(dòng)避雷針”。五十年前，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中已經(jīng)能用長脈沖激光引導(dǎo)幾米內(nèi)的電荷移動(dòng)，電壓可達(dá)百萬伏特。但直到90年代飛秒激光的發(fā)明以及長脈沖光絲的發(fā)現(xiàn)，對激光避雷的應(yīng)用才真正實(shí)現(xiàn)了突破。激光避雷技術(shù)的原理是將激光束射向云層，形成高強(qiáng)度激光光絲，電離空氣中的氮和氧分子，產(chǎn)生自由電子。電離的空氣導(dǎo)電性強(qiáng)于周邊區(qū)域，從而引導(dǎo)雷擊。
Aurélien Houard和同事于2021年夏天在瑞士東北部的阿爾卑斯山森蒂斯峰進(jìn)行了測試。森蒂斯峰高達(dá)2500米，雷擊頻繁，位于峰頂124米高的通信塔每年遭到雷擊100多次。研究人員們在通信塔周圍部署了激光設(shè)備。設(shè)備的開發(fā)和實(shí)驗(yàn)室測試共花了4年時(shí)間，可發(fā)射皮秒激光脈沖，能量達(dá)500mJ，速率為每秒1000脈沖。
“激光避雷對通信塔的保護(hù)半徑從120米擴(kuò)大了180米。”
在為期三個(gè)月的實(shí)驗(yàn)中，通信塔經(jīng)歷雷擊16次，其中有4次激光設(shè)施處于運(yùn)行狀態(tài)，均成功將雷擊引離通信塔。研究人員使用兩個(gè)高速攝像機(jī)記錄了其中一次雷擊的路線，發(fā)現(xiàn)雷電在達(dá)到通信塔位置前按照激光路線行進(jìn)了60米，也就是說激光避雷對通信塔的保護(hù)半徑從120米擴(kuò)大到了180米。
這一技術(shù)投入應(yīng)用可保護(hù)機(jī)場、發(fā)射臺(tái)、核電廠、大樓、森林免遭雷擊破壞。激光避雷設(shè)施可在探測到雷雨天時(shí)開啟。
Houard說：“激光避雷針項(xiàng)目由我的團(tuán)隊(duì)及我們在瑞士的合作伙伴、日內(nèi)瓦大學(xué)的Jean-Pierre Wolf共同發(fā)起。我們研究激光成絲和超強(qiáng)激光脈沖已經(jīng)20年了。此前我們實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)多次成功，再加上現(xiàn)在有了新的超強(qiáng)超短每秒1000脈沖的激光技術(shù)，使我們有信心啟動(dòng)這一項(xiàng)目。”
02 多方合作促成功
激光發(fā)射技術(shù)的實(shí)際開發(fā)由通快集團(tuán)位于慕尼黑的Scientific Lasers子公司承擔(dān)?！拔覀兾型熘圃熳罡邚?qiáng)度的激光設(shè)施，訂購了一臺(tái)1焦耳激光器。然后我們與瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的專家們組成研究團(tuán)隊(duì)。André Mysyrowicz教授早在20年前就參與過本項(xiàng)目的啟動(dòng)工作，近年以顧問的身份回歸了項(xiàng)目。參與項(xiàng)目的還有法國阿里亞娜空間公司，阿麗亞娜對激光避雷很感興趣，可保護(hù)機(jī)場和阿麗亞娜火箭?！?/p>
除了使用最強(qiáng)的激光發(fā)射器，實(shí)驗(yàn)選址也很重要。Houard說：“森蒂斯峰是歐洲雷擊最頻繁的區(qū)域，而且雷電還常常擊打同一個(gè)地點(diǎn)，我們的激光設(shè)備有許多機(jī)會(huì)與雷電‘交鋒’，很適合我們的實(shí)驗(yàn)。雷電實(shí)驗(yàn)很復(fù)雜，可能需要幾個(gè)月乃至幾年才能等到閃電擊中某個(gè)特定點(diǎn)?！?/p>
由于激光器價(jià)格不菲，研究團(tuán)隊(duì)向歐盟申請了資金。“這個(gè)過程很漫長，因?yàn)槲覀兩暾埖氖呛献餮芯抠Y金（至少3個(gè)國家、3個(gè)合作方參與），類別是有利于社會(huì)的‘突破性研究’。”
Houard補(bǔ)充道：“為申請資金，我們首先要證明實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中激光能控制幾米范圍內(nèi)的電荷，取得了成功。但是因?yàn)樽匀焕纂姷碾妶龇秶耆煌覀儺?dāng)時(shí)無法確定激光是否能引導(dǎo)實(shí)際情況中更遠(yuǎn)距離的電荷。”
03 功夫不負(fù)有心人
項(xiàng)目初期，研發(fā)過程的復(fù)雜程度超過研究人員最初的預(yù)計(jì)，通快的激光器研發(fā)花了兩年時(shí)間。研發(fā)環(huán)節(jié)后又對設(shè)備進(jìn)行了測試，確保能產(chǎn)生長度超過100米的光絲。但當(dāng)正要開始實(shí)驗(yàn)時(shí)，新冠疫情爆發(fā)，實(shí)驗(yàn)被迫中止。Houard回憶道：“整個(gè)項(xiàng)目被迫推遲一年，不得不申請額外的資金支持?！?/p>
除了資金問題，還有很多實(shí)施過程中的困難，比如把5噸重、9米長的激光機(jī)運(yùn)上峰頂?！爸挥欣|車能上峰頂，所以只好將機(jī)器拆卸后再纜車運(yùn)送。峰頂需要搭建設(shè)施放置望遠(yuǎn)鏡，用于將激光對準(zhǔn)大氣層里的位置。我們坐直升機(jī)來回好幾次，前前后后花了一個(gè)月才等到風(fēng)不大、雪不多的好天氣安裝設(shè)備?！?/p>
“雷電實(shí)驗(yàn)很復(fù)雜，可能需要幾個(gè)月乃至幾年才能等到閃電擊中某個(gè)特定點(diǎn)?！?/p>
首次發(fā)射激光前，研究團(tuán)隊(duì)還需要獲得當(dāng)?shù)卣脑S可，因?yàn)槊看螁?dòng)實(shí)驗(yàn)都需要設(shè)立5公里的禁飛區(qū)。最終一切辛苦都有了回報(bào)。“峰頂?shù)脑茖映３?huì)擋住閃電，但我們很幸運(yùn)，從兩個(gè)角度捕捉到了雷電轉(zhuǎn)向的照片。我們在《自然光子學(xué)》發(fā)表文章詳細(xì)描述了觀察到的現(xiàn)象，吸引了很多媒體報(bào)道?！?/p>
但研究人員稱未來還有大量科研工作要繼續(xù)開展?！拔覀儸F(xiàn)在可以證明激光可以引導(dǎo)雷電，但還不能量化激光提供的保護(hù)能達(dá)到傳統(tǒng)的避雷針效果。為此，還需要證明只要激光器打開，雷電就一定會(huì)沿激光光絲的路徑行進(jìn)?！?/p>
Houard總結(jié)道：“富蘭克林發(fā)明的避雷針已經(jīng)使用了幾百年，歷經(jīng)了大范圍的使用和測試。激光避雷針問世時(shí)間尚短，我們?nèi)晕赐耆私馄湮锢韺W(xué)原理?！?/p>