Un potente láser consigue desviar rayos hacia el cielo para evitar su impacto

Desde junio de 1752, hace casi 271 años, la principal protección de los edificios y de sus habitantes frente a las potentes descargas de los rayos descansa en un invento de Benjamin Franklin: el pararrayos. El también político e intelectual nacido en Boston demostró que las nubes están cargadas de electricidad volando una cometa de armazón metálico y con una llave atada que atrajo una descarga. Las barras metálicas sobre los edificios que atrapan los rayos y los conducen a tierra para neutralizarlos han salvado desde entonces miles de vidas e instalaciones críticas. Nature Photonics publica este lunes el primer avance significativo en casi tres siglos y con éxito para dominar esta fuerza de la naturaleza. Un total de 28 investigadores internacionales han presentado los resultados de un potente láser capaz de desviar los rayos al cielo.

El dispositivo es capaz de disparar un millar de pulsos láser ultracortos cada segundo para generar un canal ionizado, denominado filamento láser, que conduce el rayo hasta la atmósfera al crear una ruta preferente para la descarga alejada de emplazamientos vulnerables. “Al disparar mil pulsos láser por segundo hacia las nubes, podemos descargar el rayo con seguridad y lograr que el mundo esté un poco más a salvo”, indica Clemens Herkommer, ingeniero de TRUMPF Scientific Lasers, socio del proyecto LLR (Laser Lightning Rod o Pararrayos Laser) y coautor de la investigación.

El dispositivo, del tamaño de un vehículo familiar grande, se ha probado en la montaña Säntis, en el noreste de Suiza, junto a una antena de telecomunicaciones de 123 metros de altura. “Es una torre que presenta la ventaja de ser impactada por rayos un centenar de veces al año y nos permite saber cuánta carga se transfiere desde la nube hasta la tierra”, comenta Marcos Rubinstein, físico de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Lausana y también firmante del trabajo. El escenario era ideal para demostrar que el pararrayos láser es capaz de atrapar y redirigir la descarga hacia el cielo, evitando su impacto en las instalaciones.

“Lo que hemos hecho es medir estos campos electromagnéticos para entender el funcionamiento de los mecanismos físicos y validar el modelo que estamos desarrollando”, explica el científico Farhad Rachidi, también coautor de la investigación. “Gracias al láser”, añade Aurélien Houard, coordinador del proyecto, “podemos proyectar la energía a larga distancia con el fin de crear un camino para el rayo y convertirlo en una especie de guía, vaciando el aire con la ayuda de impulsos de láser muy potentes”.

La idea de usar pulsos láser intensos para guiar los rayos se había explorado previamente en condiciones de laboratorio en Nuevo México, en 2004, y en Singapur, en 2011. Sin embargo, no se lograron evidencias de la capacidad de esta técnica para redirigir las descargas.

Los investigadores del último experimento consideran que los logros que ahora se presentan se deben a que “la tasa de repetición del láser ha sido mayor”. “Durante la filamentación [la generación del canal ionizado], una pequeña fracción de los electrones libres creados es capturada por moléculas de oxígeno neutro. A altas tasas de repetición del láser, estas moléculas de oxígeno cargadas se acumulan, manteniendo un recuerdo de la trayectoria del láser”, explican en el trabajo. “Actualmente, el pararrayos láser es uno de los más potentes de su tipo”, confirma Herkommer.

Los resultados de las pruebas arrojan que, durante más de seis horas de operación (378 minutos) en el transcurso de tormentas eléctricas detectadas a tres kilómetros de la cima del Säntis, el láser desvió el curso de cuatro descargas de rayos hacia arriba. Así se corroboró a través del seguimiento de las ondas electromagnéticas y las ráfagas de rayos X. Uno de los impactos fue grabado directamente por dos cámaras de alta velocidad ubicadas a 1,4 y 5 kilómetros de la torre, respectivamente. Los vídeos mostraron que el rayo seguía la trayectoria del láser durante más de 50 metros.

Los autores concluyen que, aunque “se necesitan más campañas y trabajos teóricos”, sus hallazgos amplían la comprensión actual de la física láser en la atmósfera y pueden ayudar en el desarrollo de nuevas estrategias de protección contra rayos de personas e infraestructuras críticas, como centrales eléctricas, aeropuertos y plataformas de lanzamiento.

Según los datos de los satélites, la tasa total de relámpagos y rayos en todo el mundo es de entre 40 y 120 por segundo. Además de dominarlos con dispositivos como el láser probado en Suiza, es importante anticiparse a ellos. En este sentido, investigadores de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL) han desarrollado un sistema de inteligencia artificial, complementario al LLR, para predecirlos.

El modelo permite anticipar entre 10 y 30 minutos el impacto de un rayo en un área de 30 kilómetros y con un margen de error del 20%. Este sistema aporta una ventaja fundamental frente a los actuales que, de acuerdo con Amirhossein Mostajabi, uno de los responsables del desarrollo y participante también en la investigación del láser, “son lentos, muy complejos y requieren datos externos caros adquiridos por radar o satélite”.

El método más antiguo para hacer frente a estos fenómenos, después del invento de Franklin, fue un cohete unido a un cable conductor largo y conectado a tierra que se ensayó en 1965 para iniciar las descargas de rayos de forma artificial. Lanzado en el momento adecuado, la tasa de éxito de este método podría llegar al 90%. Pero es caro, peligroso por el efecto de la caída del cohete y genera desechos. En 1999 se planteó la utilización de láser, pero solo ahora se han conseguido resultados esperanzadores y con varias ventajas.

Según el estudio del LLR, “el proceso de filamentación se puede controlar para que se inicie hasta a un kilómetro de distancia de la fuente láser”. “Por lo tanto”, sostienen los autores, “es concebible que los canales generados puedan servir, además de para guiar el rayo, incluso para desencadenar descargas en condiciones climáticas apropiadas”.

Cada día, alrededor de 8,6 millones de rayos se producen en todo el mundo, cada uno de los cuales viaja a más de 320.000 kilómetros por hora, generando una gran cantidad de electricidad. “Mejorar la protección contra rayos es muy importante ahora debido a los fenómenos meteorológicos más extremos del cambio climático”, afirma John Lowke, profesor de investigación de la Universidad de South Australia (UniSA), ajeno al experimento en Suiza.

En este sentido, el científico Abdullah Kahraman, investigador de cambio climático en la Universidad de Newcastle, ha publicado en Environmental Research Letters un trabajo sobre cómo el calentamiento global modifica la distribución de las tormentas con aparato eléctrico en Europa: “Los rayos más frecuentes sobre las montañas y en el norte del continente podrían desencadenar más incendios forestales en bosques de nivel superior. Vamos a ver relativamente menos riesgos de rayos en áreas más pobladas del centro”.

El físico de plasma australiano ha investigado el papel de las moléculas de oxígeno, claves en el trabajo del LLR, para determinar el comportamiento de los rayos. Según el estudio publicado en Applied Physics, los rayos ocurren cuando los electrones golpean las moléculas de oxígeno con suficiente capacidad para crear moléculas de este elemento de alta energía. “Necesitamos entender cómo se inician los rayos para que podamos encontrar la manera de proteger mejor los edificios, aviones, rascacielos y personas”, afirma Lowke.

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