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Sonntag, 04.12.2016
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Forscher zähmen Blitze

Laserstrahlen zwingen elektrische Entladungen auf kontrollierte Bahnen

Blitze sind unberechenbar – eigentlich. Doch jetzt ist es Forschern gelungen, den Pfad elektrischer Entladungen gezielt zu kontrollieren. Mit Hilfe von Laserstrahlen zwangen sie Blitze dazu, bestimmten Bahnen zu folgen. Sogar s-förmige Kurven und Bögen, die Hindernisse umstrahlten, konnten sie so erzeugen. Die Fähigkeit, Blitzbahnen zu kontrollieren, eröffnet neue Anwendungen, verbessert aber auch gängige Verfahren, bei denen Lichtbögen und elektrische Entladungen eingesetzt werden, so die Forscher im Fachmagazin "Science Advances".
Normalerweise ist der genaue Pfad eines Blitzes unberechenbar

Normalerweise ist der genaue Pfad eines Blitzes unberechenbar

Mal verzweigt, mal gerade - Blitze zucken auf unberechenbaren Wegen durch den Himmel. Und selbst bei den Entladungen zwischen Elektroden, wie sie in der Industrie und Forschung genutzt werden, sind zwar Start- und Endpunkt klar, nicht aber der genaue Pfad, auf dem der Funke überspringt. Das aber ist für viele Anwendungen ungünstig. "Es ist daher enorm wichtig, Methoden zu entwickeln, durch die wir die Bahn der Lichtbögen vollkommen kontrollieren können", erklären Matteo Clerici vom Institut National de la Recherche Scientifique in Quebec und seine Kollegen.

Laserstrahl als Wegbereiter


Eine Möglichkeit für diese Kontrolle sind Laserstrahlen, wie die Forscher nun demonstrieren. Denn sie ionisieren die Luft längst ihres Strahls und erzeugen damit einen Kanal, in dem sich die Entladung leichter ausbreiten kann als in der umgebenden Luft. "Die Säule aus erhitzter Luft reduziert die lokale Gasdichte und senkt damit die Durchbruchsspannung für den Blitz", erklären die Wissenschaftler. "Die Entladung folgt nun dem Weg des geringsten Widerstands."

Der Laserstrahl bereitet dem Blitz einen Kanal des geringsten Widerstands

Der Laserstrahl bereitet dem Blitz einen Kanal des geringsten Widerstands

In ihren Experimenten zeigte sich, dass ein normaler Laserstrahl zwar schon ein recht guter Blitzleiter ist, dabei aber noch immer Variationen im Entladungspfad auftreten. Noch kontrollierter dagegen ließ sich der Blitz leiten, als Clerici und seine Kollegen den Strahlquerschnitt der Laserstrahlen manipulierten. Sie erzeugten beispielsweise mit Hilfe von Speziallinsen einen sogenannten Bessel-Strahl – einen Laserstrahl, dessen Wellen nicht mehr parallel laufen, sondern quasi mit sich selbst gekreuzt sind.


S-Kurven und Ausweichbögen


Mit solchen Strahlen gelang es den Forschern, nicht nur schnurgerade, stark fokussierte Entladungen zu erzeugen, sondern auch gekrümmte Lichtbögen, die gezielt ein Hindernis umstrahlten. Der Blitz konnte so selbst dann sein Ziel erreichen, wenn der gerade Weg vollkommen durch ein Objekt verstellt war. Sogar S-förmige Blitze produzierten die Forscher, in dem sie mehrere Laserstrahlen miteinander kombinierten.

"Diese Technologie ebnet den Weg zu einer systematischen und präzisen Kontrolle von Hochspannungs-Entladungen", konstatieren Clerici und seine Kollegen. "Das eröffnet eine ganze Reihe von neuen Möglichkeiten sowohl für wissenschaftliche als auch für technische Anwendungen." Noch haben die Forscher diese Technik nur in kleinem Maßstab mit Lichtbögen von wenigen Zentimetern Länge demonstriert. Sie halten aber auch größere Anordnungen nach dem gleichen Prinzip für machbar. (Science Advances, 2015; doi: 10.1126/sciadv.1400111)
(Institut national de la recherche scientifique – INRS, 22.06.2015 - NPO)
 
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