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Cientistas conseguem guiar raios de tempestade através de poderosos lasers disparados no céu


Descargas elétricas entre nuvens carregadas e a superfície da Terra são responsáveis por considerável quantidade de danos e acidentes. Enquanto que hastes metálicas de sistemas de proteção contra descargas atmosféricas (SPDA) - ou simplesmente 'para-raios' - são comumente usadas em centros urbanos para desviar raios de tempestade de forma segura e dissipar a carga conduzida no solo, essas estruturas são limitadas em tamanho, reduzindo a área de potencial proteção. Agora, pela primeira vez, cientistas demonstraram em experimento de mundo real que o uso de rápidos e poderosos disparos de laser no céu podem também desviar raios de forma eficiente. Com um alcance várias vezes mais longo nos céus e com múltiplos direcionamentos, sistemas de proteção contra raios baseados em lasers podem futuramente substituir as hastes metálicas e proteger áreas muito mais amplas.


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Fascinando a humanidade desde tempos imemoriáveis (1) e marcando vários personagens mitológicos icônicos, como o deus Greco-Romano Zeus e o deus Nórdico Thor, os raios de tempestade causam bastante destruição no ambiente natural e em infraestruturas antropogênicas. Com base em dados de satélites, é estimado que a taxa global de raios - incluindo descargas nuvem-chão e nuvem-nuvem (2) - fica entre 40 e 120 descargas por segundo. O número documentado de acidentes letais envolvendo raios de tempestade é acima de 4 mil e danos estruturais acumulam bilhões de dólares anualmente. A mais amplamente usada proteção externa contra raios continua sendo as hastes metálicas de sistemas SPDA ("para-raios"), também conhecidas como hastes de Franklin ou condutor de raios. O para-raios, cuja invenção data do século XVIII e é atribuída ao famoso cientista Norte-Americano Benjamin Franklin, consiste basicamente de um mastro metálico condutor conectado ao solo. O para-raios protege construções e seus arredores imediatos ao fornecer um caminho preferencial para a corrente elétrica associada ao raio, guiando este de forma segura até o solo.


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(1) Raios são responsáveis por incêndios naturais em biomas diversos e provavelmente por introduzir o fogo a humanos. Existe inclusive uma hipótese interessante relacionando um aumento no número de raios e a evolução do modo primariamente bípede de locomoção que emergiu nos homininis: Nova hipótese evolucionária sugere que supernovas são a causa da postura ereta humana


(2) Para mais informações sobre os mecanismos de formação e natureza dos raios, fica a sugestão de leitura: Raios de tempestade disparam reações nucleares no céu

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Porém, as hastes metálicas dos para-raios são limitadas em extensão e, nesse sentido, fornecem uma pequena área de proteção. Uma promissora alternativa a essas hastes condutoras é o uso de lasers para guiar e também engatilhar raios no céu durante condições favoráveis (ex.: tempestades). A primeira tentativa de engatilhar e guiar raios naturais com lasers foi feita em 1999, através de uma combinação de três lasers associados a níveis de energia em quilojoule (KJ) para formar uma faísca de plasma de 2 metros de extensão. 


Para-raios baseados em lasers usam pulsos intensos e curtos de feixes de lasers (3) enviados em direção às nuvens. Esses pulsos passam, então, por um processo de filamentação durante a propagação no ar. O pulso de laser primeiro encolhe em tamanho por causa da mudança laser-induzida no índice de refração do ar, o qual age como uma série auto-gerada de lentes cada vez mais convergentes. O pulso de laser eventualmente se torna suficientemente intenso para ionizar moléculas de ar. Propagação subsequente do pulso de laser passa a ser governada por uma competição dinâmica entre o auto-foco do feixe e o efeito de desfocagem devido à presença de elétrons livres. Essa competição mantém estreitos canais de pulsos ionizantes de laser ao longo de grandes distâncias. Junto com essas regiões filamentosas, moléculas de ar são rapidamente aquecidas pela energia absorvida do laser e expelidas radialmente a velocidade supersônica, deixando para trás canais de ar de longa duração com reduzida densidade. Esses canais com ar ionizado de baixa densidade e com duração de milissegundos exibem uma mais alta condutividade eletrônica e, consequentemente, oferecem um caminho privilegiado para as descargas elétricas associadas aos raios.


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(3) Um feixe de laser é uma coleção de fótons (partículas de luz) seguindo uma mesma direção. Para mais informações, sugestão de leitura: Físicos estão construindo um laser tão poderoso que esse será capaz de rasgar até mesmo o espaço vazio

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Descargas elétricas com alguns metros de extensão engatilhadas e guiadas por filamentos no ar laser-induzidos têm sido demonstradas em laboratório e, em ambiente laboratorial, conseguem competir com as tradicionais hastes metálicas de para-raios. Desde 1999, cientistas vêm tentando replicar esses experimentos laboratoriais no mundo real. O comprimento de filamentos ionizados laser-induzidos podem alcançar até 100 metros no ar quando pulsos iniciais com duração de picossegundos estão associados a energia no nível de terawatt (10^12 W, ou 1 bilhão de watt). Além disso, o processo filamentoso pode ser controlado no sentido de ser iniciado até um quilômetro de distância da fonte do laser, tornando plausível usá-lo para guiar e possivelmente engatilhar raios em condições temporais apropriadas. 


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No novo estudo, um time de 25 pesquisadores conduziu um experimento (projeto Laser Lightning Rod) para testar a tecnologia no mundo real, através de um poderoso laser de US$2 milhões instalado nos Alpes Suíços, na Suíça. Em específico, o laser foi colocado próximo de uma torre de comunicações no topo da montanha de Säints, a qual é frequentemente atingida por raios (~100/ano) e possui uma altura de 124 metros. O laser (Yb:YAG) usado emite pulsos de picossegundos e energia de 500 mJ com comprimento de onda de 1030 nm e a uma taxa de repetição de 1 kHz.

 

Fig.2. Na foto, a torre de telecomunicações Säntis, também mostrando o caminho do feixe de laser registrado com seu segundo harmônico em 515 nm. Wolf et al., 2023 


Ao longo de 10 semanas de observações, durante o verão de 2021, os pesquisadores registraram os disparos de laser canalizando 4 eventos de raios durante tempestades. Uma câmera de alta velocidade claramente mostrou um dos raios seguindo a linha direta do feixe de laser, ao invés de seguir um caminho ramificado. E para todos os eventos onde o laser estava presente, foi observado desvio efetivo dos raios.


Fig.3. (a-b) Registro feito por duas câmeras de alta velocidade localizadas em duas posições distintas. Podemos ver claramente o raio sendo desviado e seguindo a direção do feixe de laser. Wolf et al., 2023


Outros experimentos de mundo real realizados previamente - incluindo um no Novo México em 2004 e outro em Singapura em 2011 (Ref.3) - falharam pelo fato de terem usado lasers com frequências de disparo muito baixas (10 ou menos disparos por segundo), enquanto o avançado laser construído em Säints dispara 1000 vezes por segundo. Os pulsos de alta frequência são capazes de manter estáveis os canais condutores abertos no ar mesmo em uma atmosfera turbulenta de tempestade. Outro possível fator contribuinte é o local onde o novo experimento foi conduzido, onde raios são frequentes.


No entanto, o para-raios laser-baseado está ainda longe de ser colocado em prática e muito menos substituir os para-raios baseados em hastes metálicas. O custo do laser usado é muito elevado e o equipamento é complicado e custoso para ser instalado. Ainda levará um bom tempo para simplificar o sistema e torná-lo mais barato e mais prático, mas as portas finalmente se abriram para essa promissora tecnologia. 


REFERÊNCIAS

  1. Houard et al. (2023). Laser-guided lightning. Nature Photonics. https://doi.org/10.1038/s41566-022-01139-z
  2. https://www.nature.com/articles/d41586-023-00080-7
  3. https://www.science.org/content/article/playing-zeus-scientists-use-laser-beam-control-lightning-bolts
Cientistas conseguem guiar raios de tempestade através de poderosos lasers disparados no céu Cientistas conseguem guiar raios de tempestade através de poderosos lasers disparados no céu Reviewed by Saber Atualizado on janeiro 18, 2023 Rating: 5

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