La ciencia tras los pasos de Zeus

51 Rayos en la misma fotografía

De todas las legendarias fuerzas de la Naturaleza sin duda el rayo ha sido históricamente la más llamativa. Los rayos son desconocidos, peligrosos, espectaculares, ruidosos, impredecibles… poseen los elementos básicos ideales para mover la imaginación de cualquier ser humano y construir sobre ellos toda una mitología.

Zeus, Júpiter, Thor, Catequil, Ilyapa, Tien-Mu… desde tiempos ancestrales cualquier cultura que se precie adoró a alguna divinidad asociada a la siempre temida venganza que un poderoso dios lanzaba desde el cielo.

Fuente: Artículo de Kasparian y Wolf en el libro “Progress in Ultrafast Intense Lasers” (2010).

El tiempo y la ciencia han dejado atrás las primitivas concepciones mitológicas y han desvelado muchos de sus misterios. En la actualidad poseemos amplios conocimientos sobre qué son, cómo se forman, cómo actúan, incluso contamos con diferentes tecnologías para protegernos de ellos. Sin embargo, y a pesar de todos estos avances, hasta ahora apenas podíamos hacer nada con ellos. El conocimiento había destronado a Zeus de su poder pero todavía no podía ocupar su trono.

Hace unos meses los físicos Jesús Álvarez y Javier Fernández del Instituto de Fusión Nuclear UPM, nos hablaban en Amazings de la revolución que iban a suponer en este siglo los láseres de nueva generación. Las aplicaciones que día a día están apareciendo en este sentido parecen darles la razón.

Fuente: Artículo de Kasparian y Wolf en el libro “Progress in Ultrafast Intense Lasers” (2010).

La idea de utilizar tecnología láser para crear una especie de cauce a través de la  atmósfera por el que los rayos puedan circular e incluso con el que poder desviarlos ha estado presente desde la década de los 60, poco después del descubrimiento del láser. Sin embargo, hasta la década de los 90 no hubo láseres con potencia suficiente para lograrlo.

El último avance lo ha protagonizado un equipo científico, encabezado por André Mysyrowicz del Laboratorio de óptica aplicada del ENSTA Paris Tech, en su artículo titulado “Triggering, guiding and deviation of long air spark discharges with femtosecond laser filamentafirman haber alcanzado un verdadero hito en el intento de convertirnos en Zeus controlando y desviando rayos.

Fuente: artículo de Kasparian et al. en Science (2003).

El láser crea pulsos ultracortos tan intensos que son capaces de ionizar el aire generando trillones de vatios de potencia durante femtosegundos (la milbillonésima parte de un segundo) creando así un camino por el que los rayos podrían fluir.

Durante la década de los 80 se utilizaron láseres con pulsos cortos de nanosegundos pero ionizaban el aire en forma de filamentos que se rompían en “gotas” con lo que no podían formar un camino continuo por el que conducir un rayo. En la década de los 90 se empezaron a utilizar pulsos ultracortos de femtosegundos que gracias a un proceso no lineal llamado filamentación forman un canal continuo de luz que guíaba a las moléculas de aire ionizadas creando un “hilo” conductor para el rayo.

Los primeros experimentos con láseres de femtopulsos en tormentas fueron realizados en Japón en 1998 (Uchida et al., “Laser-triggered lightning in field experiments” 1999). Los resultados obtenidos fueron prometedores, se podía provocar la aparición de rayos y se podían guiar estos hacia pararrayos colocados en torres a unos 50 metros de distancia. Experimentos posteriores en EE.UU. con el láser Teramobile (un láser montado en un vehículo capaz de producir pulsos de femtosegundos con una potencia de teravatios) demostraron que, incluso bajo un intensa tormenta, el láser es capaz de ionizar el aire formando un filamento conductor de unos 100 metros capaz de atraer rayos. Estos experimentos demostraron que aún se requerían muchos más estudios en laboratorio, siendo el más famoso el que se publicó en la prestigiosa revista Science en 2003 (Kasparian et al. “White-Light Filaments for Atmospheric Analysis”). Para muchos expertos fue entonces cuando nacieron los pararrayos láser.

Fuente: Artículo de Forestier et al., AIP Advances (2012).

El nuevo artículo de Mysyrowicz y sus colegas presenta un nuevo resultado muy interesante, la posibilidad de desviar un rayo ya formado de su trayectoria inicial, como muestra la figura de arriba.

Veamos los dos experimentos que han realizado.

En el primer experimento, realizado en el DGATA Center en Toulouse, los científicos crearon una descarga de alto voltaje y la dirigieron a dos posibles objetivos situados a unos dos metros y medio de distancia. Para ello han utilizado un láser móvil Ti:Sa CPA que genera pulsos de más de 350 mJ de energía con una duración de 50 femtosegundos consiguiendo 7 teravatios (billones de vatios) de potencia. El plan era conseguir que este láser creara una columna de plasma por la que las descargas eléctricas fluyeran y así poder dirigirlas a voluntad.

Fuente: Artículo de Forestier et al., AIP Advances (2012)

Los resultados, utilizando el láser son espectaculares: con el láser apagado, el rayo siempre alcanzaba el objetivo más cercano, pero al encender el láser y generar un camino ionizado, el rayo tomaba el cauce de plasma creado por el láser y alcanzaba el objetivo situado más lejos.

En el otro experimento, Mysyrowicz y su equipo guiaron el haz de láser a través de 50 metros en un laboratorio, desde un electrodo que producía el rayo hasta otro electrodo de carga opuesta. Con el láser apagado el rayo iba directamente de un electro al otro, pero con el láser encendido la descarga siguió el camino creado por el láser y lo siguió antes de saltar al segundo electrodo. El proceso es eficaz en ambas polaridades y se ha comprobado experimentalmente con más de 30 descargas.

Fuente: Artículo de Forestier et al., AIP Advances (2012).

En las conclusiones del estudio el equipo asegura haber demostrado la capacidad del láser a la hora de desviar una descarga fuera de su punto lugar de impacto. Es más, cuando la relación entre el láser y el pulso se optimizan correctamente la desviación es 100% eficaz en ambas polaridades.

El estudio afirma además haber observado una importante reducción (del 10 al 30%) en el voltaje de la descarga cuando se desarrolla por el cauce creado por el láser, especialmente en la polaridad positiva.

Los físicos responsables de los experimentos finalizan el estudio echándole un vistazo al futuro y califican como muy alentadores estos resultados para el desarrollo en los próximos años de un pararrayos láser.

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Muchas gracias al profesor Francis Villatoro (@emulenews) por la ayuda prestada en la elaboración y revisión de este artículo

Referencias y bibliografía:

ResearchBlogging.orgForestier, B., Houard, A., Revel, I., Durand, M., André, Y., Prade, B., Jarnac, A., Carbonnel, J., Le Nevé, M., de Miscault, J., Esmiller, B., Chapuis, D., & Mysyrowicz, A. (2012). Triggering, guiding and deviation of long air spark discharges with femtosecond laser filament AIP Advances, 2 (1) DOI: 10.1063/1.3690961

ResearchBlogging.orgUchida, S., Shimada, Y., Yasuda, H., Motokoshi, S., Yamanaka, C., Yamanaka, T., Kawasaki, Z., & Tsubakimoto, K. (1999). Laser-triggered lightning in field experiments Journal of Optical Technology, 66 (3) DOI: 10.1364/JOT.66.000199

Progress in Ultrafast Intense Lasers. Kasparian J, Wolf JP (2010)

Lightning directed by laser beams
. Jeff Hecht. New Scientist 2858 (March 2012)

Francisco Javier Peláez Pérez (Puertollano, 1974) Periodismo y divulgación científica. Cofundador del portal Naukas.com y editor responsable de las secciones de Ciencia y Astronomía en Yahoo España. Coautor del podcast Catástrofe Ultravioleta, además de dirigir su propio proyecto de expediciones científicas en el Podcast Irreductible en Patreon. Colabora habitualmente en diversos medios como El País, El Español, Voz Populi o RTVE.



Por Irreductible
Publicado el ⌚ 1 abril, 2012
Categoría(s): ✓ Física