물리학

벤자민 프랭클린(Benjamin Franklin)은 1752년 그의 유명한 연을 폭풍우가 치는 하늘로 발사했을 때 구름에 축적된 전하가 땅에 도달할 수 있는 우선적인 경로를 제공했습니다. 프랭클린의 연에 대한 21세기 업데이트는 대기권으로 발사되는 레이저입니다. 스위스 산에 주둔한 연구원들은 고출력 레이저의 빔이 번개에 대한 우선적인 경로를 제공한다는 것을 보여주었습니다[1]. 이러한 레이저 시스템은 언젠가 공항, 로켓 발사대, 풍력 발전소와 같은 민감한 시설에 낙뢰 보호 기능을 제공할 수 있습니다.

미국에서 연간 수십억 달러의 피해를 입히는 것으로 추산되는 번개로 인한 피해는 방전이 진행되는 방향을 제어함으로써 줄일 수 있습니다. “현재 번개로부터 보호할 수 있는 유일한 방법은 전통적인 프랭클린 피뢰침뿐입니다.”라고 파리 École Polytechnique 연구팀의 일원인 Aurélien Houard는 말합니다. 이 높은 금속 막대는 구름에서 땅까지 저항이 가장 적은 경로를 제공하는 우수한 도체입니다. 그러나 이러한 보호는 대략 막대의 높이에 따라 결정되는 막대의 특정 거리 내에 있는 물체에만 제공됩니다. 더 높은 로드를 구축하면 더 넓은 영역을 보호할 수 있지만 이 솔루션이 항상 실용적인 것은 아닙니다.

Houard는 “레이저를 사용한다는 아이디어는 이론적으로 수백 미터 또는 1킬로미터 높이에 달하는 금속 막대의 연장선을 만드는 것입니다.”라고 말합니다. 금속 구조물과 달리 레이저 "막대"는 하늘이 위협적일 때만 켜질 수 있습니다.

레이저 기반 낙뢰 유도는 1974년에 처음 제안되었으며 여러 실험을 통해 실험실 환경에서 기본 개념이 확인되었습니다. 그러나 현장에서 시스템을 시연하는 것이 더 어려운 것으로 입증되었습니다. 일부 테스트는 운이 좋지 않았고 폭풍이 레이저에 충분히 가까이 다가온 적이 없었습니다. Houard는 “번개는 예측하기가 매우 어렵습니다. “파업을 보려면 아주 오랜 시간을 기다려야 할 수도 있습니다.” 그리고 단지 하나의 이벤트를 보는 것만으로는 충분하지 않습니다. 연구자들은 레이저가 눈에 띄는 효과를 가지고 있는지 확인하기 위해 통계를 구축해야 합니다.

가능성을 높이기 위해 Houard와 그의 동료들은 유럽에서 번개가 가장 많이 발생하기 쉬운 곳 중 하나인 스위스 북동쪽에 있는 Säntis Mountain에서 레이저 실험을 수행했습니다. 이 2,500m 높이(8,000피트)의 산은 1년에 약 100회 번개를 맞는 30층 높이의 통신 타워로 덮여 있습니다. 2021년 여름, Houard와 동료들은 레이저 광에 의해 번개 경로가 유도될 수 있는지 테스트하기 위해 자동차 크기의 테라와트 레이저를 산에 설치했습니다.

캠페인 초기에 연구원들은 뇌우가 다가올 것을 경고하기 위해 일기 예보에 의존했지만 예측은 종종 틀렸고 팀은 몇 가지 기회를 놓쳤습니다. Houard는 “밤에 번개가 칠 경우 레이저를 시작할 준비를 하기 위해 산에서 잠을 자기로 결정했습니다.”라고 말했습니다. 또한 레이저를 발사할 계획이 있을 때마다 근처 공항에 경고해야 했습니다. 그 빛이 머리 위로 날아가는 비행기에 탄 사람들의 눈을 손상시킬 수 있는 위험이 있었기 때문입니다.

기상 조건이 성숙해졌을 때, 팀은 레이저를 하늘로 겨냥하고 1kHz의 반복 속도로 피코초 펄스를 발사했습니다. 타워 꼭대기 근처 지점에 적외선 레이저 광을 집중시킴으로써 연구자들은 레이저 광이 퍼지지 않고 전파되는 여러 개의 얇은 "필라멘트"로 분할되는 비선형 광학 효과를 생성하는 데 필요한 강도에 도달했습니다. : "도넛" 레이저 빔의 공기 도파관). 이러한 고강도 흐름은 공기를 가열하여 최대 50m 길이의 이온화된 가스 또는 "플라즈마" 채널을 생성합니다. 이러한 플라즈마 채널은 금속 막대처럼 전도되므로 번개에 대한 우선적인 경로를 제공할 것으로 예상됩니다.

두 달 동안 연구원들은 총 6시간 동안 레이저를 작동했습니다. 그 기간 동안 탑은 16번의 번개를 맞았습니다. 시각적 및 무선 관측을 바탕으로 팀은 이러한 공격 중 4번이 궤적의 일부에 대해 레이저에 의해 유도된다는 사실을 발견했습니다. 이러한 사건 중 하나의 사진에는 레이저의 50미터 플라즈마 채널에 해당하는 직선 단면의 번개가 명확하게 표시됩니다. 나머지 세 번의 충격은 번개 방전으로 인한 무선 방출을 기록하는 산의 안테나로 측정되었습니다. 이러한 무선 데이터에 대한 팀의 분석에 따르면 이러한 타격은 레이저 경로와 일치하는 것으로 나타났습니다.