Contrôler la foudre est une ambition monumentale, mais c’est exactement ce qu’un groupe de scientifiques européens a fait, bien que brièvement et à un coût énorme. En lançant un laser dans une tempête suisse, ils ont eu un aperçu de la façon dont nous pourrions un jour exploiter les forces gigantesques de l’atmosphère.

“C’est la première preuve convaincante de la façon dont nous pouvons contrôler la foudre dans un environnement réel.”

“Ce qu’ils ont réussi à faire est impressionnant”, a-t-il déclaré. matteo clerici, professeur de photonique à l’Université de Glasgow qui n’a pas participé à la recherche. “C’est la première preuve convaincante de la façon dont nous pouvons contrôler la foudre dans un environnement réel.”

Pour ce faire, l’équipe, dont les travaux ont récemment été publiés dans photonique nature, a créé ce qu’on appelle un filament laser. Un filament naît de l’effet d’autofocus du laser lors de son passage dans l’air qui, comme la lumière du soleil traversant une loupe convexe, concentre sa puissance. L’énergie devient si intense qu’elle « fait bouillir » les électrons dans les molécules d’air, ou les ionise, pour créer un plasma, une soupe de matière surchauffée. Ce faisceau de plasma chaud s’appelle un filament.

“Lorsque vous avez un laser très puissant, si vous le tirez en l’air, il formera spontanément un filament”, a déclaré le coordinateur de l’étude. Aurélien Houard du Laboratoire d’Optique Appliquée de l’École Polytechnique de Paris.

Les filaments expulsent les molécules d’air, un processus qui leur ouvre la voie pour devenir un éclair. “Un canal de densité inférieure est créé”, a déclaré Houard. “Sur cette chaîne, le [lightning] la charge peut aller plus vite qu’à l’extérieur. Le filament devient un chemin de moindre résistance que l’électricité empruntera préférentiellement à la manière d’un paratonnerre métallique traditionnel.

Le but ultime, selon les chercheurs, est d’utiliser l’appareil pour dévier la foudre des zones sensibles telles que les aéroports. En raison de leur portée beaucoup plus grande, les lasers pourraient protéger une zone beaucoup plus grande que les paratonnerres métalliques.

“Une expérience risquée”

Le résultat est l’aboutissement de plus de 2 décennies de recherche et d’expérimentation.

Pour créer des filaments dans l’atmosphère, les chercheurs utilisent des lasers qui déclenchent des impulsions rapides d’une durée inférieure à 1 billion de seconde. C’est la brièveté qui donne à ces lasers leur puissance, simplement parce qu’il est possible de mettre plus de puissance dans le pic d’une impulsion plus courte que dans un faisceau continu. “L’idée d’un laser court est qu’avec une quantité d’énergie relativement faible, vous pouvez atteindre une intensité très élevée”, a déclaré Houard.

Les précédentes tentatives de contrôle de la foudre ont échoué au Nouveau-Mexique en 2008 et Singapour en 2011. Houard pense que l’échec était dû, en partie, au fait que les lasers utilisés ne pouvaient pas pulser assez rapidement pour maintenir un canal de faible densité dans le filament.

L’appareil sur mesure déclenche des impulsions laser 1 000 fois par seconde. Crédit : © TRUMPF/Martin Stollberg

Ces lasers ne pouvaient pulser que jusqu’à 10 fois par seconde. Mais dans l’étude de Houard, les chercheurs se sont associés à une société allemande, TRUMPF Scientific Lasers, pour concevoir un laser qui pourrait pulser 1 000 fois par seconde. L’appareil, le premier du genre jamais fabriqué, a coûté plus de 2 millions d’euros à construire. “Le développement du laser a duré 2 ans, puis nous avons eu presque 2 ans de tests”, a déclaré Houard.

Le laser de 3 tonnes a été installé à côté d’une tour de télécommunications au sommet du mont Säntis en Suisse, une ville connue pour ses coups de foudre fréquents. Les scientifiques ont dû démonter la machine, transporter les pièces dans une gondole et déployer un gros hélicoptère pour la positionner sur la montagne.

Lorsque le ciel était clair, les scientifiques pouvaient photographier la foudre en suivant la trajectoire du faisceau laser sur 50 mètres. Crédit : © Aurélien Houard/photonique nature 2023

L’installation a duré 3 mois. «Après tant de temps, d’efforts et d’argent», a déclaré Houard, «il y avait de bonnes chances de ne rien voir. C’était une expérience assez risquée.

Cependant, après avoir tiré le laser et l’avoir pointé vers le ciel, les craintes de l’équipe se sont rapidement dissipées. Sur une période de 2 mois, ils ont enregistré des faisceaux en suivant quatre fois la trajectoire du laser. À une occasion, le ciel était suffisamment clair pour permettre aux caméras de capturer un faisceau qui suivait le laser sur environ 50 mètres (160 pieds).

Malgré cette avancée, Houard admet qu’il faudra encore longtemps avant que les lasers puissent remplacer les paratonnerres métalliques conventionnels. Pour commencer, ils doivent résoudre un certain nombre de problèmes de sécurité. Et au-delà de cela, l’appareil est incroyablement cher. “Il serait principalement disponible pour protéger de très grandes infrastructures … comme une rampe de lancement ou une centrale nucléaire”, a déclaré Houard.

L’énorme potentiel des lasers

La réalisation pourrait avoir des applications de grande envergure au-delà de la protection contre la foudre. “La démonstration qu’il est possible de contrôler un événement atmosphérique aussi important ouvre la porte à d’autres choses”, a déclaré Clerici.

Par exemple, Houard fait partie d’une équipe qui utilise des filaments laser pour réduire la traînée dans les avions supersoniqueset collègues, y compris Jean-Pierre Loup, qui ont contribué à cette étude, ont découvert comment les filaments laser peuvent percer des trous dans les nuages, permettant une communication ininterrompue avec les satellites. Les filaments laser peuvent même créer de la pluie et de la neige.

« C’est ainsi que la science avance. Quelqu’un démontre la possibilité, et une fois que vous avez la possibilité, il y aura des opportunités.

“Il me semble que ce travail est encore assez fondamental”, a-t-il déclaré. miro erkintalo, un physicien laser de l’Université d’Auckland qui n’a pas participé à l’étude. « C’est ainsi que la science avance. Quelqu’un démontre la possibilité, et une fois que vous avez la possibilité, il y aura des opportunités.

“Je pense que l’esprit humain n’est pas particulièrement doué pour extrapoler dans la prochaine décennie”, a-t-il déclaré. « La plupart des scientifiques pionniers sont ceux qui font les choses parce qu’ils veulent savoir s’ils le peuvent. Les opportunités viendront plus tard.”

—Bill Morris, écrivain scientifique

Citation: Morris, B. (2023), Comment courber la foudre avec un faisceau laser, éos, 104, https://doi.org/10.1029/2023EO230063. Publié le 24 février 2023.
Texte © 2023. Les auteurs. CC BY-NC-ND 3.0
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