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Des paratonnerres laser pour lutter contre la foudre : peut-on y croire ?

Tout comme les lasers ont été essentiels aux progrès de la médecine, ils sont désormais également essentiels à la science de l'atmosphère. Dans ce cas, associé aux orages qui génèrent des coups de foudre vers la surface de la terre.

Faisceaux déviés par un laser
La foudre est responsable de dégâts considérables et de décès. Source : Houard et al. 2023.

Des coupures de courant, des feux de forêt, des dommages aux infrastructures et des blessures corporelles peuvent être le résultat de la foudre. Selon les données satellitaires, le taux total de foudre dans le monde est estimé entre 40 et 120 coups de foudre par seconde. Le contrôle de ces événements météorologiques est un rêve pour beaucoup depuis des décennies.

L'étude "Laser-guided lightning", publiée dans la revue Nature Photonics, présente la première démonstration de filaments induits par laser. Ces filaments sont générés par des impulsions laser courtes, intenses et dirigées vers le ciel, et seraient capables de guider les décharges de foudre sur de longues distances.

Le nombre documenté de décès dus à la foudre dépasse les 4 000, et les dommages associés se chiffrent en milliards de dollars chaque année.

L'équipe de recherche déclare : "Nous pensons que cette percée expérimentale permettra de réaliser des progrès en matière de protection contre la foudre et de physique de la foudre. Un défi de taille qui générerait un bénéfice à l'échelle mondiale.

Le paratonnerre nous a protégés pendant près de 300 ans

La protection externe la plus utilisée contre les coups de foudre directs reste le paratonnerre, une invention attribuée à Benjamin Franklin au XVIIIe siècle.

Foudre et éclairs sur un bâtiment la nuit
Le paratonnerre est un héritage météorologique et humain que nous a légué le polymathe Benjamin Franklin.

Le paratonnerre est constitué d'un mât pointu relié à la terre dont la fonction principale est de protéger les bâtiments, et leur environnement immédiat, en constituant un point d'impact préférentiel pour la foudre. De cette façon, son courant électrique est guidé en toute sécurité vers la terre.

Déviation de faisceaux avec de puissantes impulsions laser

Durant l'été 2021 (hémisphère nord), une campagne expérimentale a été menée sur la montagne du Säntis, dans le nord-est de la Suisse. Un laser de térawatt (mille milliards de watts), à haut taux de répétition, et une tour y ont été installés. Le principe utilisé consiste à envoyer des impulsions laser courtes et intenses dans les nuages.

Bien que la recherche sur les faisceaux soit très active depuis plus de 20 ans, il s'agit du premier résultat qui démontre expérimentalement des faisceaux guidés par laser.

Dans l'expérience, deux caméras à haute vitesse ont été installées séparément. Elles ont enregistré le guidage d'un faisceau négatif (vers le haut) sur une distance de 50 mètres.

Image de deux caméras capturant un coup de foudre.
Foudre enregistrée le 24 juillet 2021 à (a) Schwaegalp (b) Kronberg. Source : Houard et al. 2023.

Le guidage des faisceaux négatifs par les filaments laser a été corroboré dans 3 autres cas. Ce processus a été réalisé par des mesures interférométriques (une technique qui combine des ondes électromagnétiques) à très haute fréquence.

Des résultats obtenus avec beaucoup de patience

Entre le 21 juillet et le 30 septembre 2021, le laser a fonctionné pendant plus de 6 heures d'activité orageuse. L'événement météorologique s'est produit dans un rayon de 3 km autour du site de la campagne.

La tour a été frappée par au moins 16 éclairs, dont quatre se sont produits pendant l'activité laser. Les quatre événements laser enregistrés étaient associés à des éclairs positifs (foudre), reliant le sommet de la tour au nuage. Tous ces éclairs ont été déviés vers le haut.

Enfin, les recherches référencées sont susceptibles d'ouvrir la voie à de nouvelles applications atmosphériques. En outre, elle représente une étape importante dans le développement de la protection contre la foudre basée sur le laser. Les bénéficiaires pourraient être des aéroports, des rampes de lancement ou des infrastructures colossales.