Cómo doblar un rayo con un rayo láser

Controlar los rayos es una ambición monumental, pero eso es justo lo que ha hecho un grupo de científicos europeos, aunque brevemente y con un costo enorme. Al disparar un láser a una tormenta suiza, lograron vislumbrar cómo algún día podríamos ejercer las gigantescas fuerzas de la atmósfera.

"Es la primera evidencia convincente de cómo podemos controlar los rayos en un entorno de la vida real".

"Lo que lograron hacer es impresionante", dijo Matteo Clerici, profesor de fotónica en la Universidad de Glasgow que no participó en la investigación. "Es la primera evidencia convincente de cómo podemos controlar los rayos en un entorno de la vida real".

Para ello, el equipo, cuyo trabajo se publicó recientemente en Nature Photonics, creó lo que se conoce como filamento láser. Un filamento surge del efecto de autoenfoque del láser cuando pasa a través del aire, que, como la luz del sol que pasa a través de una lupa convexa, concentra su poder. La energía se vuelve tan intensa que "hierve" los electrones de las moléculas de aire, o los ioniza, para crear un plasma, una sopa de materia sobrecalentada. Ese haz de plasma caliente se llama filamento.

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"Cuando tienes un láser muy potente, si lo disparas al aire, formará espontáneamente un filamento", dijo el coordinador del estudio, Aurélien Houard, del Laboratorio de Óptica Aplicada de la École Polytechnique de París.

Los filamentos expulsan moléculas de aire, un proceso que despeja el camino para convertirse en un relámpago. "Se crea un canal de menor densidad", dijo Houard. "En este canal, la carga [del rayo] puede ir más rápido que afuera". El filamento se convierte en un camino de menor resistencia por el que la electricidad viajará preferentemente a la manera de un pararrayos de metal tradicional.

El objetivo final, dicen los investigadores, es usar el dispositivo para desviar los rayos de áreas sensibles como los aeropuertos. Debido a su alcance mucho mayor, los láseres podrían proteger un área mucho más grande que los pararrayos metálicos.

El resultado es la culminación de más de 2 décadas de investigación y experimentación.

Para crear filamentos en la atmósfera, los investigadores utilizan láseres que disparan pulsos rápidos de menos de 1 billonésima de segundo de duración. Es la brevedad lo que le da a estos láseres su potencia, simplemente porque es posible meter más potencia en el pico de un pulso más corto que en un haz continuo. "La idea de un láser corto es que con una cantidad de energía relativamente pequeña, se puede alcanzar una intensidad muy alta", dijo Houard.

Los intentos anteriores de controlar los rayos fallaron en Nuevo México en 2008 y en Singapur en 2011. Houard cree que la falla se debió, en parte, a que los láseres utilizados no podían pulsar lo suficientemente rápido para mantener un canal de baja densidad en el filamento.

Esos láseres podrían pulsar solo hasta 10 veces por segundo. Pero en el estudio de Houard, los investigadores se asociaron con una empresa alemana, TRUMPF Scientific Lasers, para diseñar un láser que pudiera pulsar 1000 veces por segundo. El dispositivo, el primero de su tipo jamás fabricado, costó más de 2 millones de euros para construir. "El desarrollo del láser fue de 2 años, luego tuvimos casi 2 años de pruebas", dijo Houard.

El láser de 3 toneladas se instaló junto a una torre de telecomunicaciones en la cima del monte Säntis en Suiza, una localidad conocida por los frecuentes rayos. Los científicos tuvieron que desmantelar la máquina, transportar las piezas en una góndola y desplegar un gran helicóptero para posicionarla en la montaña.

La instalación tomó 3 meses. "Después de tanto tiempo, esfuerzo y dinero", dijo Houard, "había una buena posibilidad de no ver absolutamente nada. Fue un experimento bastante arriesgado".

Sin embargo, después de disparar el láser y apuntarlo hacia el cielo, los temores del equipo pronto se disiparon. Durante un período de 2 meses, registraron rayos siguiendo la trayectoria del láser cuatro veces. En una ocasión, el cielo estaba lo suficientemente despejado como para permitir que las cámaras capturaran un rayo que seguía al láser durante unos 50 metros (160 pies).

A pesar del avance, Houard admite que pasará mucho tiempo antes de que los láseres puedan reemplazar a los pararrayos metálicos convencionales. Para empezar, deben abordar una serie de problemas de seguridad. Y más allá de eso, el dispositivo es increíblemente caro. "Estaría disponible principalmente para proteger una infraestructura muy grande... como una plataforma de lanzamiento o una planta de energía nuclear", dijo Houard.

El logro podría tener aplicaciones de largo alcance más allá de la protección contra rayos. "La demostración de que es posible controlar un evento atmosférico tan grande abre la puerta a otras cosas", dijo Clerici.

Por ejemplo, Houard es parte de un equipo que usa filamentos láser para reducir la resistencia en aviones supersónicos, y sus colegas, incluido Jean-Pierre Wolf, quien contribuyó a este estudio, descubrieron cómo los filamentos láser pueden perforar agujeros en las nubes, lo que permite para la comunicación ininterrumpida con los satélites. Los filamentos láser pueden incluso crear lluvia y nieve.

"Así es como avanza la ciencia. Alguien demuestra la posibilidad, y una vez que tienes la posibilidad, habrá oportunidades".

"Me parece que este trabajo sigue siendo bastante fundamental", dijo Miro Erkintalo, físico láser de la Universidad de Auckland que no participó en el estudio. "Así es como avanza la ciencia. Alguien demuestra la posibilidad, y una vez que tienes la posibilidad, habrá oportunidades".

"Creo que la mente humana no es particularmente buena para extrapolar la próxima década", dijo. "La mayoría de los científicos pioneros son los que hacen cosas porque quieren saber si pueden. Las oportunidades vendrán después".

—Bill Morris, escritor científico