レーザービームで稲妻を曲げる方法

雷を制御することは途方もない野心ですが、それはヨーロッパの科学者グループが、たとえ短期間で莫大な費用を費やしたとしても、成し遂げたことにすぎません。 スイスの雷雨にレーザーを発射することで、彼らは、私たちがいつか大気の巨大な力をどのように行使するかを垣間見ることができました。

「これは、現実の環境で雷を制御する方法を示す最初の説得力のある証拠です。」

「彼らが成し遂げたことは素晴らしいことだ」と、この研究には関与していないグラスゴー大学のフォトニクス教授マッテオ・クレリチ氏は語った。 「これは、現実の環境で雷を制御する方法を示す最初の説得力のある証拠です。」

そうするために、最近Nature Photonicsに研究が掲載されたチームは、レーザーフィラメントとして知られるものを作成しました。 フィラメントは、レーザーが空気中を通過する際の自己集束効果から発生し、凸面拡大鏡を通過する太陽光と同様に、レーザーのパワーを集中させます。 このエネルギーは非常に強くなり、空気分子から電子を「沸騰」させるかイオン化し、プラズマ、つまり過熱物質のスープを生成します。 この高温プラズマのビームはフィラメントと呼ばれます。

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「非常に強力なレーザーを空中に発射すると、自然にフィラメントが形成されます」とパリのエコール・ポリテクニック応用光学研究所の研究コーディネーター、オーレリアン・ウアール氏は語った。

フィラメントは空気分子を放出し、雷の漏斗への経路を確保するプロセスです。 「より低密度のチャネルを作成することになります」と Houard 氏は言います。 「この水路では、[稲妻]の充電が外部よりも速く進む可能性があります。」 フィラメントは、従来の金属製避雷針と同様に、電気が優先的に流れる抵抗が最も少ない経路になります。

研究者らによると、最終的な目標は、この装置を使って雷を空港などの敏感な場所から遠ざけることだという。 レーザーは到達範囲がはるかに広いため、金属製避雷針よりもはるかに広い範囲を保護できるでしょう。

その結果は、20 年以上にわたる研究と実験の集大成です。

大気中でフィラメントを作成するために、研究者は、持続時間が 1 兆分の 1 秒未満の速いパルスを発射するレーザーを使用します。 これらのレーザーにパワーを与えるのはその短さです。それは単純に、連続ビームよりも短いパルスのピークにより多くのパワーを詰め込むことができるからです。 「短いレーザーのアイデアは、比較的少量のエネルギーで非常に高い強度を達成できるということです」と Houard 氏は言います。

雷を制御するこれまでの試みは、2008年にニューメキシコ州、2011年にシンガポールで失敗した。フアード氏は、失敗の原因の一部は、使用したレーザーがフィラメント内に低密度チャネルを維持するのに十分な速さでパルスできなかったことが原因だと考えている。

これらのレーザーは、1 秒あたり最大 10 回しかパルスできませんでした。 しかし、Houard 氏の研究では、研究者らはドイツの企業 TRUMPF Scientific Lasers と協力して、1 秒あたり 1,000 回パルスできるレーザーを設計しました。 この装置は史上初のもので、製造コストは 200 万ユーロ以上でした。 「レーザーの開発には 2 年かかり、その後、ほぼ 2 年間のテストを行いました」と Houard 氏は述べています。

重さ3トンのレーザーは、落雷が頻繁に起こることで知られるスイスのサンティス山の頂上にある通信塔の隣に設置された。 科学者たちは機械を解体し、部品をゴンドラで運び、大型ヘリコプターを展開して山に設置する必要がありました。

設置には3か月かかりました。 「非常に多くの時間、労力、資金を費やした後、まったく何も見えない可能性が十分にありました。これはかなり危険な実験でした。」とハワード氏は語った。

しかし、レーザーを発射して空に向けると、チームの恐怖はすぐに和らぎました。 2 か月にわたって、彼らはレーザーの経路をたどる稲妻を 4 回記録しました。 ある時は、空が十分に晴れていたため、レーザーのあとを約 50 メートル（160 フィート）にわたって追跡する稲妻をカメラが捉えることができました。

この画期的な進歩にもかかわらず、レーザーが従来の金属製避雷針に取って代わるまでには長い時間がかかるだろうと、Houard 氏は認めています。 まず第一に、多くの安全上の問題に対処する必要があります。 さらに、このデバイスは信じられないほど高価です。 「これは主に、発射台や原子力発電所などの非常に大規模なインフラを保護するために利用できるだろう」とハワード氏は語った。

この成果は、雷からの保護を超えて広範囲に応用できる可能性があります。 「これほど大気中の出来事を制御できるという実証は、他のことへの扉を開くものだ」とクレリシ氏は語った。

たとえば、ウアール博士は、超音速航空機の抵抗を減らすためにレーザー フィラメントを使用しているチームの一員であり、この研究の貢献者であるジャン ピエール ウルフを含む同僚は、レーザー フィラメントがどのようにして雲に穴を開け、衛星との途切れのない通信を実現します。 レーザーフィラメントは雨や雪を生み出すこともあります。

「そうやって科学は進歩するのです。誰かが可能性を実証し、一度可能性を手に入れれば、チャンスは訪れるでしょう。」

「この研究はまだ非常に基礎的なものであるように私には思えます」と、この研究には関与していないオークランド大学のレーザー物理学者、ミロ・エルキンタロ氏は語った。 「そうやって科学は進歩するのです。誰かが可能性を実証し、一度可能性を手に入れれば、チャンスは訪れるでしょう。」

「人間の心は、今後10年を予測するのがあまり得意ではないと思います」と彼は言う。 「先駆的な科学者のほとんどは、それができるかどうかを知りたいという理由で何かをする人たちです。チャンスは後からやってくるのです。」

—ビル・モリス、サイエンスライター