Como dobrar um raio com um feixe de laser

Controlar raios é uma ambição monumental, mas é exatamente isso que um grupo de cientistas europeus fez – embora brevemente e com um custo enorme. Ao disparar um laser em uma tempestade suíça, eles tiveram um vislumbre de como poderíamos um dia exercer as forças gigantescas da atmosfera.

“É a primeira evidência convincente de como podemos controlar raios em um ambiente da vida real”.

"O que eles conseguiram fazer é impressionante", disse Matteo Clerici, professor de fotônica da Universidade de Glasgow, que não participou da pesquisa. “É a primeira evidência convincente de como podemos controlar raios em um ambiente da vida real”.

Para fazer isso, a equipe, cujo trabalho foi publicado recentemente na Nature Photonics, criou o que é conhecido como filamento de laser. Um filamento surge do efeito de autofocalização do laser ao passar pelo ar, que, como a luz do sol passando por uma lupa convexa, concentra sua potência. A energia se torna tão intensa que "ferve" os elétrons das moléculas de ar, ou os ioniza, para criar um plasma - uma sopa de matéria superaquecida. Esse feixe de plasma quente é chamado de filamento.

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"Quando você tem um laser muito poderoso, se disparar no ar, ele formará espontaneamente um filamento", disse o coordenador do estudo, Aurélien Houard, do Laboratório de Óptica Aplicada da École Polytechnique, em Paris.

Os filamentos ejetam moléculas de ar, um processo que abre caminho para o funil no raio. "Você cria um canal de baixa densidade", disse Houard. "Neste canal, a carga [relâmpago] pode ir mais rápido do que fora." O filamento torna-se um caminho de menor resistência ao longo do qual a eletricidade viajará preferencialmente na forma de um pára-raios de metal tradicional.

O objetivo final, dizem os pesquisadores, é usar o dispositivo para desviar raios de áreas sensíveis como aeroportos. Devido ao seu alcance muito maior, os lasers seriam capazes de proteger uma área muito maior do que os pára-raios de metal.

O resultado é o culminar de mais de 2 décadas de pesquisa e experimentação.

Para criar filamentos na atmosfera, os pesquisadores usam lasers que disparam pulsos rápidos com menos de 1 trilionésimo de segundo de duração. É a brevidade que dá poder a esses lasers, simplesmente porque é possível colocar mais energia no pico de um pulso mais curto do que em um feixe contínuo. "A ideia de um laser curto é que, com uma quantidade relativamente pequena de energia, você pode atingir uma intensidade muito alta", disse Houard.

Tentativas anteriores de controlar raios falharam no Novo México em 2008 e em Cingapura em 2011. Houard acredita que o fracasso ocorreu, em parte, porque os lasers usados ​​não podiam pulsar rápido o suficiente para manter um canal de baixa densidade no filamento.

Esses lasers podiam pulsar apenas até 10 vezes por segundo. Mas no estudo de Houard, os pesquisadores se uniram a uma empresa alemã, a TRUMPF Scientific Lasers, para projetar um laser que pudesse pulsar 1.000 vezes por segundo. O dispositivo, o primeiro do gênero já fabricado, custou mais de 2 milhões de euros para ser construído. "O desenvolvimento do laser durou 2 anos, depois tivemos quase 2 anos de testes", disse Houard.

O laser de 3 toneladas foi instalado próximo a uma torre de telecomunicações no topo do Monte Säntis, na Suíça, localidade conhecida por frequentes descargas elétricas. Os cientistas tiveram que desmontar a máquina, transportar as peças em uma gôndola e acionar um grande helicóptero para posicioná-la na montanha.

A instalação durou 3 meses. "Depois de tanto tempo, esforço e dinheiro", disse Houard, "havia uma boa chance de não ver absolutamente nada. Foi um experimento bastante arriscado."

Depois de disparar o laser e apontá-lo para o céu, no entanto, os temores da equipe logo se dissiparam. Durante um período de 2 meses, eles registraram raios seguindo o caminho do laser quatro vezes. Em uma ocasião, o céu estava claro o suficiente para permitir que as câmeras capturassem um raio seguindo o laser por cerca de 50 metros (160 pés).