Jouant Zeus, les scientifiques utilisent un faisceau laser pour contrôler les éclairs | La science

Un peu comme Zeus lançant des éclairs, des physiciens travaillant au sommet d’une montagne en Suisse ont utilisé un laser de grande puissance pour diriger la foudre. Cette avancée pourrait ouvrir la voie à l’utilisation de lasers pour protéger les aéroports, les rampes de lancement de fusées et d’autres infrastructures sensibles, selon les chercheurs. Pourtant, on ne sait toujours pas si la technologie d’un million de dollars fonctionne mieux qu’un paratonnerre relativement bon marché.

“C’est inspirant”, déclare Matteo Clerici, physicien à l’Université de Glasgow qui n’a pas participé aux travaux. « Quelle en sera l’application ? Nous ne pouvons que spéculer.

La foudre se produit lorsque l’électricité statique s’accumule dans les nuages ​​d’orage et commence à décomposer les molécules d’air environnantes. Des voies d’air affaibli électriquement se sont propagées comme des fissures dans un pare-brise de voiture. Une fois qu’un de ces chemins atteint quelque chose sur le sol ou se connecte à d’autres chemins qui remontent de la surface, 30 000 ampères de courant jaillissent à travers le canal dentelé dans une décharge massive qui peut faire sauter un trou dans un bâtiment et l’incendier.

Pour aider à prévenir de tels dommages, les gens comptent sur une technologie inventée en 1752 par le polymathe américain Benjamin Franklin : le paratonnerre. Constitué d’une tige métallique pointue attachée au toit d’un bâtiment et reliée au sol par un fil, la tige crée un champ électrique puissant qui éloigne la foudre du bâtiment. Lorsque la tige est frappée, le fil inaugure en toute sécurité le courant vers le sol.

Depuis l’apparition des premiers lasers dans les années 1960, les scientifiques ont pensé à les utiliser de manière similaire pour guider la foudre, explique Aurélien Houard, physicien à l’École polytechnique. En théorie, le faisceau laser créerait un trajet rectiligne d’air ionisé le long duquel le courant pourrait circuler plus facilement. Pourtant, les premières tentatives avec des lasers à haute puissance ont échoué parce que, sur une courte distance, l’air ionisé a simplement absorbé la lumière laser, laissant un canal d’air beaucoup trop tronqué pour attirer ou affecter la foudre.

Dans les années 1990, les physiciens ont développé des lasers qui produisaient des impulsions d’une durée de quelques femtosecondes. Ces impulsions plus courtes et à faible énergie se sont avérées plus efficaces pour ouvrir des canaux conducteurs, explique Houard. La lumière laser ionise de l’air, qui fonctionne alors comme une lentille pour concentrer davantage la lumière dans un long “filament” de la largeur d’un cheveu. Le faisceau mince chauffe l’air, chassant les molécules et laissant un canal d’air de densité inférieure, qui conduit mieux l’électricité.

Du moins, c’est le cas dans les expériences de laboratoire. Les efforts pour contrôler la foudre naturelle au Nouveau-Mexique en 2004 et à Singapour en 2011 n’ont toujours pas réussi à influencer les trajectoires des éclairs, note Houard.

Désormais, les scientifiques dirigés par Houard et Jean-Pierre Wolf, physicien à l’Université de Genève, ont réussi. Ils ont placé un laser femtoseconde au sommet de la montagne Säntis, dans le nord-est de la Suisse, à côté d’une tour de télécommunications de 124 mètres de haut. Comme un paratonnerre géant, la tour est frappée par la foudre plus de 100 fois par an. Les chercheurs ont fait briller leur laser au-dessus du sommet de la tour de juillet à septembre 2021 pendant un total de plus de 6 heures d’orages.

La tour a été touchée au moins 15 fois au cours de cette période, dont quatre fois lorsque le système laser fonctionnait. Les chercheurs ont étudié les impacts à la fois avec des antennes radio flanquant la montagne, qui traçaient la trajectoire de la foudre, et avec des caméras à grande vitesse. Dans les quatre coups de foudre pris avec le laser allumé, la foudre a suivi la trajectoire du faisceau laser avant de sauter à la tour, l’équipe de 28 membres rapporte aujourd’hui dans Photonique de la nature. Ainsi, les chercheurs ont dirigé environ les 50 derniers mètres de la trajectoire autrement aléatoire de chaque boulon.

Les chercheurs ont réussi là où d’autres n’avaient pas réussi, en partie parce que leur laser tirait 1000 fois par seconde, plutôt que 10 ou moins, dit Houard. Les impulsions à tir rapide ont maintenu un canal conducteur stable ouvert même dans l’atmosphère tourbillonnante, spécule-t-il. L’autre grande différence ? « Nous choisissons un endroit précis où la foudre frappe toujours au même point », dit-il.

Le résultat est l’aboutissement d’un projet européen de 4 millions d’euros sur 5 ans, déclare Houard. Pour le faire fonctionner, les chercheurs ont dû démonter leur délicat laser, le monter pièce par pièce dans une gondole et faire appel au plus grand hélicoptère de Suisse pour assembler un bâtiment pour l’abriter.

Les chercheurs ont encore un long chemin à parcourir pour prouver que la technique capte efficacement la foudre. Ils veulent également montrer que le laser peut non seulement guider les boulons, mais aussi les déclencher pour éliminer la menace de manière préventive, explique Houard. Pourtant, Stelios Tzortzakis, physicien à l’Université de Crète, déclare: “Le travail marque une étape importante.”

Mais un laser à 2 millions de dollars peut-il rivaliser avec un paratonnerre bon marché ? Dans certains cas, peut-être, dit Houard. Un paratonnerre protège une zone à peu près deux fois plus large que la tige est haute, donc l’espoir serait de créer un très grand “paratonnerre virtuel” qui couvrirait une zone plus grande que ce qui serait possible avec un paratonnerre en métal. Tzortzakis est d’accord, ajoutant que l’objectif ne devrait pas être de remplacer le paratonnerre conventionnel, mais d’étendre sa portée de couverture.

Houard dit que son équipe a discuté de la construction d’un système pour aider à protéger les fusées Ariane sur la rampe de lancement du port spatial européen en Guyane française. Les fusées portent bien sûr le nom de la déesse grecque Ariane, princesse de Crète et petite-fille de Zeus. Quoi de plus approprié ?

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