Il controllo dei fulminicon il laser

Un giorno si potranno evitare i danni prodottidalle scariche elettriche associate ai temporali deviandone

il percorso con speciali laser

di Jean-Claude Diels, Ralph Bernstein, Karl E. Stahlkopf e Xin Miao Zhao

dispetto di secoli di ricerche scientifiche - fra cui il famoso esperimentocon l'aquilone effettuato da Benjamin Franklin - il fulmine è ancora og-gi un fenomeno in qualche modo misterioso. Dall'epoca di Franklin, gli

scienziati hanno compreso che le cariche elettriche possono accumularsi lentamen-te nelle nubi e poi dare origine a lampi violenti quando l'energia immagazzinata siscarica all'improvviso; ma l'esatto meccanismo che regola questo processo è statoper anni argomento di speculazione. Qual è la velocità dei fulmini? Che cosa deter-mina la traiettoria seguita? Che cosa accade alla scarica di corrente elettrica dopoche è penetrata nel suolo? Questi problemi sono stati ormai risolti dall'indaginescientifica; e le ricerche nel settore, oltre ad aver ampliato le conoscenze fonda-mentali sui fulmini, permettono anche di prospettare la possibilità di controllarne ilpunto di caduta, tradizionalmente considerato sottoposto solo al capriccio divino.

Sebbene il fulmine sia un fenomeno effimero, le sue conseguenze sono rilevanti.Ogni anno, nei soli Stati Uniti (dove circa 20 milioni di singoli lampi raggiungonoil suolo), i fulmini provocano la morte di diverse centinaia di persone e causano in-genti danni materiali, soprattutto sotto forma di incendi. Essi sono responsabili dicirca metà delle interruzioni della corrente elettrica nelle aree soggette a forti tem-porali, con un costo per le compagnie produttrici di elettricità pari anche a un mi-liardo di dollari all'anno, in danni alle apparecchiature e bollette non percepite.Inoltre i fulmini possono danneggiare gli strumenti di navigazione degli aerei di li-nea (e anche dei razzi diretti verso lo spazio), e in un caso hanno provocato un gra-ve malfunzionamento in una centrale nucleare.

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I fulmini possono saettare tra le nubi e il suolo quandol'atmosfera, che in condizioni normali è un isolante elettri-co, diventa conduttrice a causa della ionizzazione dellemolecole di gas. Questa fotografia a lunga esposizione mo-stra una serie di fulmini al di sopra di Tucson, in Arizona.

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Densità dei lampi da nube a suolo (1989-1993)

In svariati esperimenti sul campo si usano piccoli razzi perprovocare i fulmini. Gli speciali ordigni portano alla baseun rocchetto di cavo sottile, collegato a terra, che si svol-ge durante il volo. Il primo lampo indotto in questo modosegue il filamento di rame e dà origine a un canale condut-

tore di aria ionizzata; scariche successi\ e appartenenti allostesso evento (che possono succedersi ripetutamente nel gi-ro di una frazione di secondo) percorrono cammini semprepiù tortuosi a causa del vento che deforma il canale condut-tore (a destra).

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LAMPI PER ANNOPER CHILOMETRO QUADRATOMalia E

0,1 0,5 1,0 2,0 3,0 4,0 6,0 8,0

Non meraviglia dunque che da sem-pre si cerchino modi per prevenire i dan-ni causati dai fulmini. Al contrario degliantichi, che tentavano di proteggersi of-frendo sacrifici agli dei, scienziati e tec-nici hanno escogitato soluzioni che sisono rivelate abbastanza valide. Spesso,per evitare gli effetti più gravi, bastamontare sugli edifici parafulmini accu-ratamente collegati a terra, come Franlc-lin propose per primo dopo aver effet-tuato il suo esperimento con l'aquilonenel 1752. In un primo tempo egli eraconvinto che la bacchetta appuntita fos-se efficace perché «il fuoco elettrico...verrebbe estratto silenziosamente dallanube prima di essersi avvicinato a suffi-cienza per colpire»; in seguito però si re-se conto che questi dispositivi funziona-no o incanalando la scarica o deviandolalontano. Lo stesso principio - ossia quel-lo di deflettere anziché prevenire la sca-rica - è alla base dei metodi di protezio-ne più recenti, nonché dei nostri tentatividi controllare i fulmini con il laser.

Apartire dalla fine degli anni settan-ta, ricercatori della State Univer-

sity of New York ad Albany stabilironouna piccola rete di antenne direzionali

con lo scopo di localizzare scaricheelettriche da nube a suolo in un'area li-mitata dello Stato di New York. Pertutti gli anni ottanta questa rete di rive-latori specializzati è stata a poco a pocoampliata includendo altri Stati, e dal1991 (anno in cui è iniziato il funziona-mento commerciale) è in grado di indi-viduare la comparsa di fulmini in ognizona degli Stati Uniti.

Denominata National Lightning De-tection Network, questa vasta rete con-siste di circa 100 stazioni che tengo-no sotto controllo i fulmini individuan-do il momento esatto e la direzione de-gli impulsi di energia elettromagneticaprodotti da queste scariche. Le stazio-ni trasmettono i loro dati, tramite satel-liti per telecomunicazioni, a un centrodi controllo situato a Tucson, in Ari-zona, dove un calcolatore elabora leinformazioni e diffonde continuamenterapporti sull'attività dei fulmini. Que-sto servizio è sfruttato da centinaia diutenti, fra cui diverse società di produ-zione di energia elettrica, linee aeree epersino lo US Strategie Air Command.Le compagnie produttrici di elettricità,per esempio, sono riuscite a risparmia-re oltre mezzo milione di dollari al-

l'anno utilizzando queste informazioniper inviare rapidamente gli addetti al-le riparazioni in siti che potrebbero es-sere colpiti a breve scadenza o doveun fulmine ha appena danneggiato lalinea. Ma i responsabili di installazio-ni particolarmente esposte a rischi - fracui le centrali nucleari e le stazioni didistribuzione di energia elettrica - vor-rebbero disporre di metodi ancora piùavanzati per ridurre la minaccia deifulmini.

Fra i tentativi di soddisfare questanecessità si inquadrano le ricerche con-dotte in un laboratorio davvero unico,situato presso Starke, in Florida. Nel1993 due di noi (Bernstein e Stahl-kopf), insieme con altri membri dell'E-lectric Power Research Institute di Pa-lo Alto, in California, hanno conclusoun accordo con la Power Technologiesdi Schenectady (New York) per co-struire uno speciale impianto pressol'installazione di Camp Blanding dellaFlorida National Guard, allo scopo divalutare la suscettibilità di varie struttu-re sotterranee e aeree ai danni prodottidai fulmini. Anziché attendere una sca-rica casuale, i ricercatori che lavoranoin questo sito (attualmente gestito dal-

l'Università della Florida) possono in-durre i fulmini utilizzando piccoli razziche trascinano un sottile cavo collegatoa terra.

Contrariamente a queste scariche ar-tificiali, un fulmine naturale ha iniziocon una fase di precursore a malapenavisibile, che si propaga dalla nube ver-so il suolo «a scatti», sottraendo elet-troni alle molecole dei gas atmosfericie creando un canale di aria ionizzatache funge da conduttore. Immediata-mente dopo che il precursore ha colpitoil suolo, si verifica la luminosa e vio-lenta «fase di ritorno».

Come accade per la fase di precurso-re, quella di ritorno, che trasporta unacorrente variabile da alcune migliaia diampere fino a 300 000 ampere (peravere un'idea della portata del fenome-no si consideri che i cavi elettrici do-mestici non trasportano mai più diqualche decina di ampere), è alimentatadall'enorme differenza di potenziale(centinaia di milioni di volt) fra il suoloe le sovrastanti nubi temporalesche.Questo lampo accecante si propaga auna velocità che può arrivare quasi ametà di quella della luce, e l'intensissi-ma corrente elettrica trasportata può di-struggere facilmente un oggetto postosul suo cammino.

Così come i razzi che trascinano cavi‘. collegati a terra rappresentanouna versione moderna dell'esperimentodi Franklin, riteniamo che nel prossimofuturo fasci laser possano fungere daparafulmini ad alta tecnologia, in gradodi deviare i fulmini da siti critici, dovepotrebbero procurare danni particolar-mente gravi. Già qualche decina di annifa, alcuni pionieri immaginarono di uti-lizzare i laser per creare un canale di

Le folgoriti hanno origine quando unfulmine penetra nel suolo sabbioso e lofonde lungo la sua traiettoria. Questoesempio mostra come un fulmine siariuscito a raggiungere un cavo sotter-raneo che, sepolto a un metro di profon-dità, era ritenuto in posizione sicura.

aria ionizzata capace di condurre cor-rente. Ma i loro tentativi - anche quellicondotti con i laser più potenti disponi-bili all'epoca - non ebbero successo.Questi laser ionizzavano l'atmosfera inmaniera così completa da renderlapressoché opaca al fascio, che non po-teva penetrarvi ulteriormente.

Due gruppi di scienziati giapponesihanno recentemente tentato di superarequesta difficoltà utilizzando potenti la-ser infrarossi. Anziché cercare di otte-nere un canale continuo di particelleionizzate, questi studiosi hanno esco-gitato un modo per concentrare uno opiù fasci laser in una serie di punti suc-cessivi, in modo da creare una «lineatratteggiata» di bolle di plasma sepa-rate lungo il percorso desiderato peril fulmine. In prove di laboratorio so-no così riusciti a produrre una scaricacontrollata lunga oltre 7 metri. Tutta-via questo risultato è stato ottenuto so-lo con campi elettrici estremamente in-tensi, in condizioni in cui le molecoledell'aria erano già in procinto di spez-zarsi spontaneamente.

Due di noi (Diels e Zhao) hanno se-guito un'altra via, utilizzando radiazio-ne ultravioletta emessa da un laser aenergia relativamente bassa. A primavista, la tecnica non sembra molto pro-mettente. Questi fasci non sono partico-larmente efficaci nello ionizzare le mo-

La National Lightning Detection Network, ora gestita dalla Global Atmospherics di Tucson, èuna rete per il controllo dell'attività dei fulmini in tutti gli Stati Uniti. Come indica la cartina, ladensità dei lampi varia enormemente da una zona all'altra del paese. Individuando il momentoesatto e la direzione degli impulsi elettromagnetici associati ai fulmini, la rete di sensori può lo-calizzare la posizione di singoli lampi e stimarne la potenza. Il riquadro mostra i numerosi lam-pi che hanno colpito la Florida occidentale durante un temporale primaverile.

lecole dell'aria sulla loro traiettoria, e ipochi elettroni che vengono staccati dailoro atomi per effetto della radiazioneultravioletta si combinano rapidamentecon le circostanti molecole di ossigenoneutro, formando anioni ossigeno (cheriducono la conduttività del canale).Nonostante ciò, questo metodo è in gra-do di produrre una ionizzazione unifor-me lungo una traiettoria diritta di consi-derevole lunghezza. Il canale ionizzatofunge allora da parafulmine e concentracosì intensamente il campo elettrico al-la sua estremità che, davanti a essa,l'atmosfera si ionizza, prolungando ul-teriormente il canale conduttore.

Abbiamo anche scoperto che, se sidirige un secondo fascio laser, alle lun-

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Una scarica elettrica (in alto a destra) si verifica subito dopoche una coppia di fasci laser ha ionizzato le molecole dell'a-ria lungo il breve cammino che separa i due elettrodi del-l'apparecchiatura. Provocare queste scariche sperimentalia scala maggiore si è rivelato difficile, perché la strumenta-zione laser degli autori (a fianco) è troppo ingombrante peressere trasferita presso l'impianto per prove ad alta tensio-ne della Mississippi State University (qui sopra). Tuttaviaun laser mobile ora in fase di costruzione dovrebbe prestoconsentire di ottenere fulmini artificiali più lunghi.

ghezze d'onda del visibile, lungo ilcammino del fascio ultravioletto, latendenza degli elettroni liberi a fissarsialle molecole di ossigeno neutro e aformare ioni negativi viene contrastata.Questo stratagemma funziona perché ifotoni del fascio visibile trasportanoenergia sufficiente a staccare gli elet-troni dagli ioni negativi.

Sebbene funzioni a livelli di potenzatutto sommato bassi, il laser ultraviolettoda noi sperimentato è capace di ionizza-re sorprendentemente bene le molecoledell'atmosfera. L'accorgimento crucialeè l'impiego di impulsi laser estrema-mente brevi. La durata ridottissima diquesti impulsi (meno di un picosecondo,pari a 10- 12 secondi) fa sì che la luce la-ser possa avere un'alta intensità di pic-

co, sebbene la potenza media consumatadall'apparecchiatura sia modesta. Per dipiù, possiamo sfruttare la fisica dellapropagazione laser nell'atmosfera e im-partire una forma particolare agli impul-si prodotti dal laser. Questi tendono allo-ra a comprimersi mentre si =mononell'atmosfera. Le energie più elevateche si possono racchiudere in questipacchetti di luce compensano l'energiaperduta lungo la traiettoria a causa delladiffusione o dell'assorbimento.

Anche se non abbiamo ancora tenta-to di provocare fulmini con questo me-todo, la buona concordanza tra i calcoliteorici, le simulazioni numeriche e gliesperimenti di laboratorio a piccolascala ci fa ritenere di essere sulla stradagiusta. Per esempio, siamo riusciti a

creare, utilizzando brevi impulsi di lucelaser ultravioletta, un canale conduttorefra due elettrodi fortemente carichi po-sti alla distanza di 25 centimetri. I lasersono in grado di indurre una scaricaelettrica quando la differenza di poten-ziale fra gli elettrodi è inferiore a metàdel valore normalmente necessario perla ionizzazione dell'atmosfera. Ciò si-gnifica che, alla scala di laboratorio,possiamo indurre la formazione di unfulmine lungo un canale predetermina-to ben prima del punto in cui si avrebbespontaneamente la scarica.

rlon l'aiuto di Patrick Rambo, un no-stro collega dell'Università del

New Mexico, abbiamo costruito di re-cente un laser ultravioletto che è 100

La deviazione dei fulmini con tecniche laser potrebbe esserecompiuta in vari modi. In un primo momento si era pensatoche un potente laser infrarosso fosse in grado di produrre uncanale conduttore nell'atmosfera, ma questi fasci ionizzanocompletamente l'aria sul loro cammino, rendendola opaca efacendo sì che essa diffonda la luce (a). Ricercatori giappone-si stanno sperimentando fasci multipli che vengono focalizza-ti per mezzo di una serie di specchi in modo da formare unafila di «tasche» ionizzate, il cui compito sarebbe quello di in-

canalare il fulmine (b). Il metodo degli autori si basa su unacoppia di laser, che emettono rispettivamente fasci di luce ul-travioletta e visibile (diretti verso l'alto con un solo spec-chio), i quali dovrebbero formare un canale di ionizzazionerettilineo per la scarica del fulmine (e). Barre collegate a ter-ra intercetterebbero il lampo risultante, proteggendo lo spec-chio e l'apparecchiatura laser. In alternativa, si potrebbe farsì che il fascio proiettato verso il cielo sfiori un alto pennonecollegato a terra.

volte più potente di tutti quelli da noisperimentati in precedenza. La nostraintenzione è di attivarlo 10 volte al se-condo durante un temporale. Anche sesiamo ansiosi di vedere quanto possaessere efficace un simile strumento,non abbiamo ancora definito le neces-sarie prove preliminari, che richiedonouno speciale impianto ad alta tensione,come quello funzionante presso la Mis-sissippi State University.

Purtroppo il nostro laser è troppodelicato e ingombrante per poter esserespostato facilmente; speriamo però diriuscire entro breve tempo a completa-re un laser ultravioletto mobile che -accoppiato con un opportuno laser otti-co - dovrebbe essere in grado di pro-durre, in laboratorio, scariche lunghediversi metri. Forse questa coppia dilaser rappresenterà finalmente il mezzoadatto per produrre fulmini dalle nubi,un'impresa che finora ha eluso tutti igruppi che si sono cimentati con altritipi di laser.

Se le ricerche nostre o di altri verran-no un giorno coronate dal successo, latecnica del controllo dei fulmini con fa-

sci laser potrà avere un campo di appli-cazioni molto vasto. In futuro apparec-chi laser potranno essere puntati versoil cielo al di sopra di centrali nucleari,aeroporti e basi di lancio per veicolispaziali. E le centrali elettriche del XXI

secolo, con le loro reti sempre più vastedi apparecchiature a rischio, potrannofinalmente dotarsi di mezzi per scon-giurare la minaccia di un temporale im-minente, anziché rassegnarsi a rimedia-re ai danni subiti.

JEAN-CLAUDE DIELS, RALPH BERNSTEIN, KARL E. STAHLKOPF eXIN MIAO ZHAO collaborano nelle ricerche sul controllo dei fulmini provenen-do da diversi ambiti della scienza. Diels è professore al Dipartimento di fisica eastronomia dell'Università del New Mexico, e Zhao è ricercatore presso il LosAlamos National Laboratory; entrambi si occupano di laser a impulsi «ultravelo-ci». Bernstein e Stahlkopf, laureati in ingegneria elettronica, sono colleghi pressol'Electric Power Research Institute.

UMAN MARTIN A., All about Lightning, Dover Publications, 1986.ZHAO XIN MIAO e DIELS JEAN-CLAUDE, How Lasers Might Contro! Lightning

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