270 лет назад Бенджамин Франклин изобрёл молниеотвод, и по сей день инструменты для защиты зданий и сооружений от молний действуют по тому же принципу. Впрочем, подобные конструкции не всегда способны обеспечить наивысший уровень молниезащиты, и десятки лет назад учёные пришли к выводу, что компенсировать их недостатки может лазер. Однако лишь в последние годы исследователям удалось отчасти реализовать идею лазерного молниеотведения и доказать работоспособность такого подхода в рамках проекта Laser Lightning Rod.
Каждую секунду в атмосфере нашей планеты формируется 40-120 разрядов молний, которые распространяются между грозовыми облаками, а также между облаками и землёй. Именно второй тип разрядов является наиболее опасным для людей и сооружений. Ежегодно тысячи человек становятся жертвами ударов молний. Кроме того, грозовые разряды считаются одной из самых распространённых из естественных причин лесных пожаров. Молниеотвод – это самый популярный, но далеко не самый эффективный инструмент молниезащиты. Как правило, это устройство представляет собой комбинацию трёх элементов: молниеприёмника, токовода и заземлителя. Принцип работы громоотводов заключается в формировании наиболее благоприятного для молнии канала отвода. Одним из главных недостатков этой конструкции является ограниченный радиус действия: для защиты больших площадей необходимо строить целые леса молниеотводов, что невозможно реализовать в большинстве случаев.
XX век стал временем поисков альтернативных решений. К примеру, в 1960-х годах команда американских учёных проводила эксперименты с запуском заземляющих проводников, подсоединённых к небольшим ракетам, для контролируемого разряда облаков. Исследователи научились довольно эффективно провоцировать удары молний. Недостатком данного метода были расходы на топливо, проводники и сами ракеты, ведь многочисленные электрические разряды неминуемо уничтожали эти экспериментальные громоотводы. К тому же падение обломков делало невозможным применение этой методики в населённых регионах. Впрочем, учёные по сей день используют его для научных экспериментов, поскольку так им не приходится предугадывать точки новых ударов молний на земле для изучения их характеристик.
В 1970-х годах физик Леонард М. Болл предложил стимулировать контролируемый разряд грозовых облаков при помощи лазерного излучения за счёт мультифотонной ионизации в пределах луча. Спустя 20 лет учёным удалось «выжать» из грозового облака лишь один двухметровый заряд с применением трёх лазеров, но такие результаты так и не приблизили их к мечте об управлении молниями. Физики вернулись к этой идее в рамках проекта Laser Lightning Rod. Специально для Laser Lightning Rod инженеры разработали 5-тонный 9-метровый излучатель, способный генерировать луч высокочастотного тераваттного «суперлазера». Излучатель производит 1000 сверхкоротких импульсов в секунду, формируя направленный в атмосферу ионизированный канал.
Экспериментальная фаза проекта Laser Lightning Rod стартовала в 2021 году, когда источник лазера установили на вершине горы Сентис на высоте 2,5 км в Швейцарских Альпах. Эта гора является местом концентрации самого большого количества молний на территории Европы. За год на Сентисе фиксируют до 100 ударов молний, и большинство из них случаются в пиковый период грозовой активности с мая по август. На вершине горы действует телекоммуникационная башня с широчайшим покрытием теле- и радиовещания, охватывающим не только Швейцарию, но и части Австрии, Франции и Германии. На 123,5-метровой конструкции установлен собственный молниеотвод, однако для дополнительной защиты телекоммуникаций исследователи решили использовать мощнейший лазер проекта Laser Lightning Rod. Образованный лазером ионизированный канал служил своего рода продолжением металлического молниеотвода, несмотря на отсутствие прямого контакта между ним и лазерным лучом.
В 2021 году с конца июля до конца сентября учёные отслеживали грозовую активность в радиусе трёх километров над башней. Общая продолжительность работы лазера составила немногим более 6 часов. За это время на металлический молниеотвод конструкции пришлось 16 ударов, и 4 из них были спровоцированы лазером. Такие результаты сложно назвать успехом, однако даже этого было достаточно для доказательства работоспособности методики, пусть и с некоторыми ограничениями. В частности, учёные выяснили, что все 4 молнии, вызванные лазерным громоотводом, были положительными. Согласно статистике, на такие заряды приходится всего 11% всех наблюдаемых в данном регионе молний. Стоит отметить, что такие разряды обычно являются гораздо более интенсивными и опасными в сравнении с отрицательными.
По мнению исследователей, им удалось добиться более многообещающих результатов, чем предшественникам, благодаря высокой частоте повторения мощных импульсов. Таким образом, свободные электроны, выбитые вследствие ионизации атмосферы лучом лазера, чаще захватывались нейтральными молекулами кислорода. Заряженные молекулы кислорода накапливались, продлевая «жизнь» канала ионизированной атмосферы и усиливая его распространение в среде без расфокусировки, тем самым облегчая «стекание» энергии молнии по лучу лазера в громоотвод. Данный эксперимент не стал демонстрацией полноценно действующего лазерного молниеотвода, однако он позволил исследователям определиться с направлением оптимизации проекта Laser Lightning Rod.