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空中避雷针可以帮助保护机场、火箭发射台和核电站

时间:2023-09-01   访问量:149

一项新的研究发现,向天空发射的强大的万亿瓦激光可以在空气中产生避雷针,从而引导雷击,防止雷击造成严重破坏。

迄今为止,最常见、最有效的防雷保护形式是本杰明·富兰克林于 1752 年发明的避雷针。这些尖头导电金属棒可以拦截雷击并将其电流安全地引导到地面。

然而,传统避雷针的一个主要缺点是其保护区域的半径大致等于其高度。研究资深作者让-皮埃尔·沃尔夫 (Jean-Pierre Wolf) 表示,由于避雷针的建造高度存在实际限制,这意味着它们可能无法有效保护大面积区域,包括机场、火箭发射台和核电站等敏感基础设施。日内瓦大学的物理学家。

“这是首次证明闪电可以通过激光控制。”

——让-皮埃尔·沃尔夫,日内瓦大学

近50年前,科学家首次提出使用激光在空气中产生避雷针。“我们的想法是用激光制造一根很长的避雷针,”沃尔夫说。

在这项新研究中,研究人员于 2021 年夏季在桑蒂斯山顶进行了实验,该山海拔 2,502 米,是瑞士东北部阿尔卑斯山地块的最高山峰。六月至九月期间,每次预报有暴风雨时,激光都会被激活,在这些测试期间,该地区的空中交通将关闭。

沃尔夫和他的同事试图保护山顶上一座 124 米长的发射塔,该塔配备了传统的避雷针,属于电信提供商 Swisscom。这座塔每年大约被闪电击中 100 次,科学家此前为其配备了多个传感器来分析这些闪电。

在塔附近,研究人员安装了一台大型汽车大小的近红外激光器。它发射脉冲,每个脉冲包含半焦耳能量和皮秒(万亿分之一秒)长,每秒大约一千次,峰值功率为太瓦(万亿瓦)。(它还发射可见的绿色光束以帮助显示激光的路径。)

“想象一下,用直升机将 10 吨重的激光器运送到山上 2,500 米的高度,使其在非常恶劣的条件下运行,在极端天气下跟踪闪电,例如时速高达 200 公里的风、大雨、冰雹、温度变化 -一天之内温度升高 10 到 20 摄氏度,然后,当它起作用时,你会在你旁边几十米处看到一个巨大的闪电——你会很高兴,”沃尔夫说。

激光脉冲可以改变空气的折射率,即控制光在其中传播速度的材料质量。这可以使空气表现得像一系列透镜。

穿过透镜空气后,强烈的短激光脉冲可以快速电离并加热空气分子,以超音速将它们从光束路径中排出。这会留下一条低密度空气通道,持续时间大约为一毫秒。这些“细丝”具有高导电性,因此可以用作避雷针,范围可达 100 米长。研究人员可以调整激光以产生距离机器一公里之外的细丝。

在实验中,科学家们在塔避雷针尖端上方但靠近的地方制造了细丝。该研究的主要作者、高等国家高等学院的研究科学家 Aurélien Houard 表示,这基本上将杆的高度提高了至少 30 米,扩大了其保护范围,这样闪电就不会击中杆庇护所之外的塔楼部分。巴黎的技术。

当塔周围三公里范围内发生雷暴时,激光器运行了六个多小时。这座塔楼被至少十六道闪电击中,全部都是向上划去。

其中四次闪光是在激光器工作时发生的。高速摄像机镜头以及无线电和 X 射线探测器显示,激光有助于引导这些放电的过程。其中一次引导攻击被摄像机记录下来,显示它沿着激光路径移动了近 60 米。

沃尔夫和他的同事试图保护山顶上一座 124 米长的发射塔,该塔配备了传统的避雷针,属于电信提供商 Swisscom。这座塔每年大约被闪电击中 100 次,科学家此前为其配备了多个传感器来分析这些闪电。

在塔附近,研究人员安装了一台大型汽车大小的近红外激光器。它发射脉冲,每个脉冲包含半焦耳能量和皮秒(万亿分之一秒)长,每秒大约一千次,峰值功率为太瓦(万亿瓦)。(它还发射可见的绿色光束以帮助显示激光的路径。)

“想象一下,用直升机将 10 吨重的激光器运送到山上 2,500 米的高度,使其在非常恶劣的条件下运行,在极端天气下跟踪闪电,例如时速高达 200 公里的风、大雨、冰雹、温度变化 -一天之内温度升高 10 到 20 摄氏度,然后,当它起作用时,你会在你旁边几十米处看到一个巨大的闪电——你会很高兴,”沃尔夫说。

激光脉冲可以改变空气的折射率,即控制光在其中传播速度的材料质量。这可以使空气表现得像一系列透镜。

穿过透镜空气后,强烈的短激光脉冲可以快速电离并加热空气分子,以超音速将它们从光束路径中排出。这会留下一条低密度空气通道,持续时间大约为一毫秒。这些“细丝”具有高导电性,因此可以用作避雷针,范围可达 100 米长。研究人员可以调整激光以产生距离机器一公里之外的细丝。

在实验中,科学家们在塔避雷针尖端上方但靠近的地方制造了细丝。该研究的主要作者、高等国家高等学院的研究科学家 Aurélien Houard 表示,这基本上将杆的高度提高了至少 30 米,扩大了其保护范围,这样闪电就不会击中杆庇护所之外的塔楼部分。巴黎的技术。

当塔周围三公里范围内发生雷暴时,激光器运行了六个多小时。这座塔楼被至少十六道闪电击中,全部都是向上划去。

其中四次闪光是在激光器工作时发生的。高速摄像机镜头以及无线电和 X 射线探测器显示,激光有助于引导这些放电的过程。其中一次引导攻击被摄像机记录下来,显示它沿着激光路径移动了近 60 米。

“这是首次证明闪电可以通过激光控制,”沃尔夫说。

尽管实验室实验表明激光可以帮助引导雷击,但在过去 20 多年里,之前的实验未能在现场实现这一点。沃尔夫、霍阿尔和他们的同事表示,他们的新工作可能已经成功,因为他们的激光脉冲率比之前的尝试高出数百倍。使用的脉冲越多,成功拦截导致闪电的所有活动的机会就越大。此外,他们补充说,较高的脉冲频率可能更好地保持灯丝的导电性。

沃尔夫指出,他们的工作不是地球工程研究。“我们并没有改变气候,”他说。“我们偏转闪电以保护区域。”

从长远来看,科学家们希望利用激光将避雷针延长 500 米。此外,沃尔夫指出,他们可能会在机场和火箭发射台等地点进行实验。


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