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Blitzschutz mit Lasern

Gegen die zerstörerische Gewalt, mit der Gewitterwolken sich in Hochspannungsschlägen entladen, behilft man sich noch immer recht und schlecht mit metallischen Blitzableitern. Wirksameren Schutz versprechen sorgfältig abgestimmte Laser, die den Entladungspfad schon in größeren Höhen auf unschädliche Ziele umlenken könnten.

Seit der amerikanische Seifensie- der, Buchdrucker, Schriftsteller, Naturforscher und Staatsmann Benjamin Franklin (1706 bis 1790) einen per Metalldraht geerdeten Drachen zu Gewitterwolken aufsteigen ließ, hinter Blitz und Donner die elektrische Ursache erkannte und im Jahre 1752 den ersten Blitzableiter setzte, hat der Schutz vor Gewittern sich im Prinzip wenig entwickelt. Zwar weiß man seit Franklins Zeiten, daß es enorme elektrische Spannungen sind, die sich in bestimmten Wolkenformationen sukzessive aufbauen und plötzlich grell entladen, doch der physikalische Mechanismus, der diesem Naturereignis zugrunde liegt, ist längst nicht völlig aufgeklärt (Spektrum der Wissenschaft, Januar 1989, Seite 80). Wie schnell pflanzt ein Blitzschlag sich fort? Wovon hängt ab, welchen Weg er nimmt? Was geschieht mit seiner Energie nach dem Einschlag in den Erdboden? Indem diese Fragen allmählich wissenschaftlich geklärt werden, wächst die Aussicht, den Ort, wo ein Blitz einschlägt, beeinflussen zu können – eine Fähigkeit, die man im Altertum für ein Vorrecht der Götter hielt.

Obwohl Blitze völlig ziellos einschlagen, wirken sie schon durch ihre bloße Anzahl (weltweit schätzungsweise 100 Blitze pro Sekunde) verheerend genug. Allein das Gebiet der Vereinigten Staaten wird Jahr für Jahr von rund 20 Millionen Blitzen getroffen (Bild 1); sie töten dort mehrere hundert Menschen und verursachen – unter anderem durch Waldbrände – beträchtliche Sachschäden. Außerdem sind Einschläge in gewitterreichen Gebieten für etwa die Hälfte aller Stromausfälle verantwortlich; die amerikanischen Energieversorgungsunternehmen schätzen die jährlichen Verluste durch Folgeschäden und entgangenen Gewinn auf bis zu 1 Milliarde Dollar (rund 1,7 Milliarden Mark). Blitze können zudem die Navigationsgeräte von Verkehrsflugzeugen (oder von startenden Raumraketen) desorientieren. Sie haben sogar einmal in einem Kernkraftwerk einen größeren Störfall ausgelöst.

Anders als die Menschen des Altertums, die den Donnergott Zeus durch Opfergaben freundlich zu stimmen suchten, haben Wissenschaftler und Ingenieure inzwischen einigermaßen wirksame Schutzvorrichtungen entwickelt. Die schlimmsten Folgen lassen sich verhüten, indem man auf den Gebäuden – wie von Franklin vorgeschlagen – gut geerdete Blitzableiter montiert. Zwar glaubte er anfangs, die zugespitzten Metallstäbe zögen "das elektrische Feuer still aus den Wolken", bevor es nahe genug kommen könne, um einzuschlagen. Doch später erkannte er, daß die Blitzableiter die Entladung kanalisieren und unschädlich in die Erde abführen. Auf demselben Prinzip beruhen modernere Schutzvorrichtungen – sogenannte Blitz-Arrestoren oder geerdete Abschirmungen – sowie unsere Versuche, Blitze mit Laserstrahlen zu beeinflussen.


Bestandsaufnahme

Ende der siebziger Jahre begannen Forscher der Staatsuniversität von New York in Albany mit dem Aufbau eines kleinen Antennennetzes, um in einem Teilgebiet dieses US-Bundesstaats Blitzeinschläge zu verfolgen. In den achtziger Jahren wurde dieses Netz von Spezialdetektoren allmählich auf andere Bundesstaaten augedehnt, und 1991 (mit Beginn seiner kommerziellen Nutzung) auf die gesamten Vereinigten Staaten.

Dieses nationale Netz zur Blitzüberwachung (National Lightning Dectection Network) umfaßt rund 100 Stationen, die den genauen Zeitpunkt und die Richtung der bei atmosphärischen Entladungen abgegebenen elektromagnetischen Impulse aufzeichnen (Bild 2). Die Meßdaten werden per Satellit zu einem Kontrollzentrum in Tucson (Arizona) weitergeleitet, wo ein Computer die Daten verarbeitet und fortwährend Berichte über die Blitzaktivitäten verschickt. Hunderte Abonnenten profitieren davon, unter anderem Stromerzeuger, Fluggesellschaften und sogar das Strategische Luftwaffenkommando der USA.

Einige Stromversorgungsbetriebe sparen dadurch jährlich fast eine Million Mark ein, weil sie ihre Reparaturmannschaften rasch an Orte möglicher oder tatsächlicher Blitzschäden schicken können. Doch für besonders empfindliche Anlagen wie Kernkraft- und Umspannwerke wären noch bessere Schutzmaßnahmen wünschenswert.

Daran arbeitet vor allem ein einzigartiges Freilandlabor bei Starke (Florida). Zwei von uns (Bernstein und Stahlkopf) haben 1993 gemeinsam mit anderen Mitgliedern des Forschungsinstituts für Stromversorgung (Electric Power Research Institute) im kalifornischen Palo Alto sowie mit der Firma Power Technologies in Schenectady (New York) eine spezielle Anlage in Camp Blanding (einem Stützpunkt der US-Nationalgarde in Florida) errichtet, um die Anfälligkeit verschiedener unter- und oberirdischer Anlagen für Blitzschäden zu untersuchen. Statt auf natürliche Blitze zu warten, kann man auf dem Forschungsgelände (das inzwischen der Universität von Florida untersteht) mittels kleiner Raketen, die einen dünnen geerdeten Draht hinter sich herziehen, atmosphärische Entladungen auslösen (Bild 4).

Im Gegensatz zu künstlichen Blitzen geht den natürlichen eine kaum sichtbare Vorentladung voraus; sie pflanzt sich von der Wolke schrittweise zur Erde fort, wobei aus den Gasmolekülen der Lufthülle Elektronen abgespalten werden. Auf diese Weise entsteht ein Kanal aus ionisierter Luft als Leitungsbahn für die eigentliche Entladung. Sofort nachdem diese Vorentladung den Erdboden erreicht hat, erfolgt die grelle und energiereiche Hauptentladung. Wie ihre Wegbereiterin wird auch die Hauptentladung, in der Ströme zwischen 5000 und 300000 Ampere fließen (im Haushalt ist die Stromstärke in der Regel auf 15 Ampere begrenzt), durch die enorme Spannung – hunderte Millionen Volt – zwischen Erdboden und Gewitterwolken verursacht. Der gewaltige Stromstoß schießt mit nahezu halber Lichtgeschwindigkeit von der Erde zur Wolke und vermag ein Objekt, das sich ihm in den Weg stellt, ohne weiteres zu zerstören.


Katastrophenvorsorge

Sind schon unsere Raketen mit ihren geerdeten Drähten eine moderne Version von Franklins Drachenexperiment, so könnten bald Laserstrahlen als High-Tech-Blitzableiter dienen. Der Einfall, mit Hilfe besonders leistungsstarker Laser einen Kanal aus ionisierter Luft zu schaffen und an ihm entlang gleichsam gezähmte Blitze auszulösen, ist zwar schon Jahrzehnte alt. Doch bisher scheiterten alle derartigen Versuche: Die Laser ionisierten die Luft so gründlich, daß sie für den Laserstrahl praktisch undurchlässig wurde und seine weitere Ausbreitung verhinderte (Bild 5a).

Zwei japanische Forschergruppen haben kürzlich versucht, dem Problem durch die Verwendung leistungsstarker Infrarotlaser beizukommen. Statt einen kontinuierlichen Kanal ionisierter Partikel zu erzeugen, fokussierten sie einen oder mehrere Laserstrahlbündel auf eine Folge hintereinanderliegender Punkte, so daß entlang der gewünschten Blitzbahn eine unterbrochene Linie aus separaten Plasmablasen entstand (Bild 5b). Im Laborversuch gelang ihnen auf diese Weise eine kontrollierte Entladung über mehr als sieben Meter hinweg – allerdings nur bei Anwesenheit derart starker elektrischer Felder, daß eine spontane Luftentladung unmittelbar bevorstand.

Hingegen haben zwei von uns (Diels und Zhao) es mit einem relativ leistungsschwachen Ultraviolett-Laser versucht. Auf den ersten Blick verspricht das wenig Erfolg: Solche Strahlen ionisieren die Luftmoleküle entlang ihrer Bahn nicht besonders effektiv, und die wenigen durch das Ultraviolett abgespaltenen Elektronen vereinigen sich rasch mit den neutralen Sauerstoffmolekülen ihrer Umgebung zu negativ geladenen Sauerstoff-Ionen (welche die Leitfähigkeit des Kanals mindern).

Dennoch vermag dieser Laser längs einer langen geraden Linie gleichmäßig ionisierend zu wirken. Der ionisierte Pfad verhält sich wie ein unsichtbarer Blitzableiter: An seiner Spitze konzentriert sich das elektrische Feld so stark, daß die Luftmoleküle sich davor aufspalten und so die Leitungsbahn verlängern. Wir fanden zudem heraus, daß ein zweiter Laser für sichtbares Licht, dessen Strahl exakt dem Weg des ultravioletten Strahls folgt, die freien Elektronen hindert, durch Anlagerung an neutrale Sauerstoffmoleküle negativ geladene Sauerstoff-Ionen zu bilden.

Der Grund ist, daß die Energie der Photonen des sichtbaren Strahls ausreicht, Elektronen von den negativen Ionen abzuspalten (Bild 5c).

Obwohl unser Ultraviolett-Laser insgesamt wenig Energie verbraucht, ionisiert er die Luft überraschend gut. Der Trick dabei ist die Verwendung extrem kurzer Laserpulse: Da jeder nur wenige billionstel Sekunden dauert, lassen sich augenblicksweise – bei im Mittel bescheidenem Energieaufwand – extrem hohe Intensitäten erzeugen. Vor allem können wir uns die Gesetze der Ausbreitung von Laserlicht in Luft zunutze machen und den Pulsen eine bestimmte Form geben, so daß sie sich unterwegs immer mehr verdichten. Auf diese Weise lassen sich Energieverluste durch Streuung und Absorption ausgleichen.

Auch wenn wir noch nicht versucht haben, auf diese Weise Gewitterblitze im Freien auszulösen, zeigt uns die Übereinstimmung von Theorie, Laborexperiment und Computersimulationen, daß wir auf dem richtigen Weg sind. Zum Beispiel haben wir mit kurzen Ultraviolett-Laserpulsen einen leitenden Kanal zwischen zwei 25 Zentimeter voneinander entfernten Hochspannungselektroden erzeugt; dabei verringern die Laser die zum Überschlag von Blitzen erforderliche Spannungsdifferenz um die Hälfte. Das heißt, im Labormaßstab können wir Blitze vorzeitig auslösen und einen vorgeschriebenen Weg entlang führen.


Freilandversuche

Mit Hilfe unseres Mitarbeiters Patrick Rambo von der Universität von New Mexiko haben wir kürzlich einen Ultraviolett-Laser gebaut, der hundertmal stärker ist als unsere bisherigen Versuchgeräte; damit wollen wir während eines echten Gewitters 10 Pulse pro Sekunde auslösen. Allerdings müssen wir zuvor noch Probeläufe durchführen; dafür brauchen wir eine spezielle Hochspannungsanlage, wie sie etwa von der Staatsuniversität von Mississippi in Lafayette betrieben wird (Bild 6).

Leider ist unser Laser zu empfindlich und unhandlich für einen Transport über Land. Wir rechnen aber mit der baldigen Fertigstellung eines mobilen Ultraviolett-Lasers, der – gekoppelt mit einem geeigneten optischen Laser – im Labor meterlange Entladungen auslösen soll. Vielleicht gelingt es uns mit diesem Gerät endlich, Gewitterwolken zu Blitzen anzuregen (was unseren Konkurrenten mit anderen Lasertypen bislang mißglückt ist).

Falls einer dieser Ansätze letztlich Erfolg hat, könnte der Blitzschutz mittels Laser sich rasch durchsetzen. Vielleicht werden eines Tages Laser systematisch den Himmel über Atomkraftwerken, Flughäfen und Raumfahrtzentren absuchen. Und die Stromversorgungsunternehmen des 21. Jahrhunderts – mit ihrem immer dichteren Netz von blitzanfälligen Umspannwerken, Leitungsmasten und Hochspannungsleitungen – würden sich auf ein aufziehendes Gewitter in aller Ruhe vorbereiten, statt gezwungenermaßen erst zu reagieren, wenn das Malheur geschehen ist.

Literaturhinweise

- Vom Regenbogen zum Polarlicht. Leuchterscheinungen in der Atmosphäre. Von Kristian Schlegel. Spektrum Akademischer Verlag, 1995.

– All about Lightning. Von Martin A. Uman. Dover Publications, 1986.

– How Lasers Might Control Lightning Strikes. Von Xin Miao Zhao und J.-C. Diels in: Laser Focus World, Band 29, Heft 11, Seiten 113 bis 116, November 1993.

– Femtosecond Ultraviolet Laser Pulse Induced Lightning Discharges in Gases. Von Xin Miao Zhao, J.-C. Diels, Cai Yi Wang und J. M. Elizondo in: IEEE Journal of Quantum Electronics, Band 31, Heft 3, Seiten 599 bis 612, März 1995.

– Lightning Detection Network Averts Damage and Speeds Restoration. Von R. Bernstein, R. Samm, K. Cummins, R. Pyle und J. Tuel in: IEEE Computer Applications in Power, Band 9, Heft 2, Seiten 12 bis 17, April 1996.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 10 / 1997, Seite 58
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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