Un potente l¨¢ser consigue desviar rayos hacia el cielo para evitar su impacto

Desde junio de 1752, hace casi 271 a?os, la principal protecci¨®n 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 tambi¨¦n pol¨ªtico e intelectual nacido en Boston demostr¨® que las nubes est¨¢n cargadas de electricidad volando una cometa de armaz¨®n met¨¢lico y con una llave atada que atrajo una descarga. Las barras met¨¢licas sobre los edificios que atrapan los rayos y los conducen a tierra para neutralizarlos han salvado desde entonces miles de vidas e instalaciones cr¨ªticas. Nature Photonics publica este lunes el primer avance significativo en casi tres siglos y con ¨¦xito para dominar esta fuerza de la naturaleza. Un total de 28 investigadores internacionales han presentado los resultados de un potente l¨¢ser capaz de desviar los rayos al cielo.

El dispositivo es capaz de disparar un millar de pulsos l¨¢ser ultracortos cada segundo para generar un canal ionizado, denominado filamento l¨¢ser, que conduce el rayo hasta la atm¨®sfera al crear una ruta preferente para la descarga alejada de emplazamientos vulnerables. ¡°Al disparar mil pulsos l¨¢ser por segundo hacia las nubes, podemos descargar el rayo con seguridad y lograr que el mundo est¨¦ un poco m¨¢s a salvo¡±, indica Clemens Herkommer, ingeniero de TRUMPF Scientific Lasers, socio del proyecto LLR (Laser Lightning Rod o Pararrayos Laser) y coautor de la investigaci¨®n.

El dispositivo, del tama?o de un veh¨ªculo familiar grande, se ha probado en la monta?a S?ntis, 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 a?o y nos permite saber cu¨¢nta carga se transfiere desde la nube hasta la tierra¡±, comenta Marcos Rubinstein, f¨ªsico de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Lausana y tambi¨¦n firmante del trabajo. El escenario era ideal para demostrar que el pararrayos l¨¢ser 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 electromagn¨¦ticos para entender el funcionamiento de los mecanismos f¨ªsicos y validar el modelo que estamos desarrollando¡±, explica el cient¨ªfico Farhad Rachidi, tambi¨¦n coautor de la investigaci¨®n. ¡°Gracias al l¨¢ser¡±, a?ade Aur¨¦lien Houard, coordinador del proyecto, ¡°podemos proyectar la energ¨ªa a larga distancia con el fin de crear un camino para el rayo y convertirlo en una especie de gu¨ªa, vaciando el aire con la ayuda de impulsos de l¨¢ser muy potentes¡±.

La idea de usar pulsos l¨¢ser intensos para guiar los rayos se hab¨ªa explorado previamente en condiciones de laboratorio en Nuevo M¨¦xico, en 2004, y en Singapur, en 2011. Sin embargo, no se lograron evidencias de la capacidad de esta t¨¦cnica para redirigir las descargas.

Los investigadores del ¨²ltimo experimento consideran que los logros que ahora se presentan se deben a que ¡°la tasa de repetici¨®n del l¨¢ser ha sido mayor¡±. ¡°Durante la filamentaci¨®n [la generaci¨®n del canal ionizado], una peque?a fracci¨®n de los electrones libres creados es capturada por mol¨¦culas de ox¨ªgeno neutro. A altas tasas de repetici¨®n del l¨¢ser, estas mol¨¦culas de ox¨ªgeno cargadas se acumulan, manteniendo un recuerdo de la trayectoria del l¨¢ser¡±, explican en el trabajo. ¡°Actualmente, el pararrayos l¨¢ser es uno de los m¨¢s potentes de su tipo¡±, confirma Herkommer.

Los resultados de las pruebas arrojan que, durante m¨¢s de seis horas de operaci¨®n (378 minutos) en el transcurso de tormentas el¨¦ctricas detectadas a tres kil¨®metros de la cima del S?ntis, el l¨¢ser desvi¨® el curso de cuatro descargas de rayos hacia arriba. As¨ª se corrobor¨® a trav¨¦s del seguimiento de las ondas electromagn¨¦ticas y las r¨¢fagas de rayos X. Uno de los impactos fue grabado directamente por dos c¨¢maras de alta velocidad ubicadas a 1,4 y 5 kil¨®metros de la torre, respectivamente. Los v¨ªdeos mostraron que el rayo segu¨ªa la trayectoria del l¨¢ser durante m¨¢s de 50 metros.

Los autores concluyen que, aunque ¡°se necesitan m¨¢s campa?as y trabajos te¨®ricos¡±, sus hallazgos ampl¨ªan la comprensi¨®n actual de la f¨ªsica l¨¢ser en la atm¨®sfera y pueden ayudar en el desarrollo de nuevas estrategias de protecci¨®n contra rayos de personas e infraestructuras cr¨ªticas, como centrales el¨¦ctricas, aeropuertos y plataformas de lanzamiento.

Seg¨²n los datos de los sat¨¦lites, la tasa total de rel¨¢mpagos y rayos en todo el mundo es de entre 40 y 120 por segundo. Adem¨¢s de dominarlos con dispositivos como el l¨¢ser probado en Suiza, es importante anticiparse a ellos. En este sentido, investigadores de la Escuela Polit¨¦cnica 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 ¨¢rea de 30 kil¨®metros 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 tambi¨¦n en la investigaci¨®n del l¨¢ser, ¡°son lentos, muy complejos y requieren datos externos caros adquiridos por radar o sat¨¦lite¡±.

El m¨¦todo m¨¢s antiguo para hacer frente a estos fen¨®menos, despu¨¦s del invento de Franklin, fue un cohete unido a un cable conductor largo y conectado a tierra que se ensay¨® en 1965 para iniciar las descargas de rayos de forma artificial. Lanzado en el momento adecuado, la tasa de ¨¦xito de este m¨¦todo podr¨ªa llegar al 90%. Pero es caro, peligroso por el efecto de la ca¨ªda del cohete y genera desechos. En 1999 se plante¨® la utilizaci¨®n de l¨¢ser, pero solo ahora se han conseguido resultados esperanzadores y con varias ventajas.

Seg¨²n el estudio del LLR, ¡°el proceso de filamentaci¨®n se puede controlar para que se inicie hasta a un kil¨®metro de distancia de la fuente l¨¢ser¡±. ¡°Por lo tanto¡±, sostienen los autores, ¡°es concebible que los canales generados puedan servir, adem¨¢s de para guiar el rayo, incluso para desencadenar descargas en condiciones clim¨¢ticas apropiadas¡±.

Cada d¨ªa, alrededor de 8,6 millones de rayos se producen en todo el mundo, cada uno de los cuales viaja a m¨¢s de 320.000 kil¨®metros por hora, generando una gran cantidad de electricidad. ¡°Mejorar la protecci¨®n contra rayos es muy importante ahora debido a los fen¨®menos meteorol¨®gicos m¨¢s extremos del cambio clim¨¢tico¡±, afirma John Lowke, profesor de investigaci¨®n de la Universidad de South Australia (UniSA), ajeno al experimento en Suiza.

En este sentido, el cient¨ªfico Abdullah Kahraman, investigador de cambio clim¨¢tico en la Universidad de Newcastle, ha publicado en Environmental Research Letters un trabajo sobre c¨®mo el calentamiento global modifica la distribuci¨®n de las tormentas con aparato el¨¦ctrico en Europa: ¡°Los rayos m¨¢s frecuentes sobre las monta?as y en el norte del continente podr¨ªan desencadenar m¨¢s incendios forestales en bosques de nivel superior. Vamos a ver relativamente menos riesgos de rayos en ¨¢reas m¨¢s pobladas del centro¡±.

El f¨ªsico de plasma australiano ha investigado el papel de las mol¨¦culas de ox¨ªgeno, claves en el trabajo del LLR, para determinar el comportamiento de los rayos. Seg¨²n el estudio publicado en Applied Physics, los rayos ocurren cuando los electrones golpean las mol¨¦culas de ox¨ªgeno con suficiente capacidad para crear mol¨¦culas de este elemento de alta energ¨ªa. ¡°Necesitamos entender c¨®mo 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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