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Blitzforschung : Wenn Funken um die Ecke laufen

  • -Aktualisiert am

Faszinierendes Naturschauspiel: Gewitterblitze beim Vulkanausbruch Bild: Reuters

Mit Laserpulsen lassen sich die Wege elektrischer Entladungen genau kontrollieren. Hindernisse können sogar überwunden werden.

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          Von Gewitterblitzen und überspringenden Funken geht eine große Faszination aus. Sie ereignen sich wie die meisten elektrischen Entladungen völlig unerwartet und schlagen dabei einen unvorhergesehenen Weg durch die Luft ein. Für einige Anwendungen oder einen wirksamen Blitzschutz würde man den Verlauf überspringender Funken gerne kontrollieren können, was sich allerdings nicht so leicht verwirklichen lässt. Wissenschaftler vom Institut National de la Recherche Scientifique in Québec haben nun ein Verfahren entwickelt, mit dem sie den Weg einer elektrischen Ladung exakt vorzeichnen und sogar um ein Hindernis herumführen können. Sie nutzen dazu einen Lichtstrahl.

          In ihren Experimenten haben die Forscher um Matteo Clerici elektrische Entladungen zwischen zwei fünf Zentimeter voneinander entfernten Metallspitzen gezündet. Normalerweise hätten sie, um die Blitze auszulösen, eine elektrische Hochspannung von etwa 170.000 Volt benötigt. Clerici und seine Kollegen gingen einen anderen Weg: Sie legten zunächst eine Spannung von weniger als 35.000 Volt an die Spitzen an. Dann richteten sie einen gepulsten Laserstrahl auf beide Kontakte und bündelten ihn mit einer Linse, so dass die Lichtintensität dazwischen recht hoch war. Die Luft wurde durch die einzelnen Laserpulse stark erhitzt und ionisiert. Zwischen den Elektroden entstand ein Plasmakanal, der den Funken schließlich überspringen ließ.

          Vom Zickzackkurs zur schnurgraden Linie

          Die Entladung nahm allerdings nicht den kürzesten Weg, wie er durch den Laserstrahl vorgegeben war. Vielmehr folgte er dem geringsten elektrischen Widerstand. Deshalb schlug der Funke einen Zickzackkurs entlang des kürzesten Wegs ein, ähnlich wie man es von Blitzen her kennt. Kontrollierter verlief die Entladung, wenn der Laserstrahl zuvor einen flachen Glaskegel passiert hatte, der ihn in besonderer Weise bündelte und zu einem stärker fokussierten „Bessel-Strahl“ machte. In diesem Fall zeichnete die Entladung eine schnurgerade Linie, wie Clerici und seine Kollegen in der Online-Zeitschrift „Science Advances“  berichten.

          Blitze im Labor: Ein gekrümmter und gepulster Lichtstrahl („Airy-Strahl“) führt eine elektrische Entladung um ein Hindernis herum. Bilderstrecke
          Blitze im Labor: Ein gekrümmter und gepulster Lichtstrahl („Airy-Strahl“) führt eine elektrische Entladung um ein Hindernis herum. :

          Der Funke konnte auch einer gekrümmten Kurve folgen, die von einem „Airy-Lichtstrahl“ gebahnt wurde. Diesen Lichtstrahl, der gewissermaßen um Ecken laufen kann, erzeugten die Forscher dadurch, dass sie die Laserpulse durch eine spezielle optische Maske führten, die darin an verschiedenen Stellen unterschiedlich stark verzögert wurden. Der Airy-Strahl war in der Lage, um ein nichtleitendes Objekt herumzulaufen, das man ihm in den Weg stellte. Entsprechend verlief die Bahn des elektrischen Funkens. Er folgte dem Lichtstrahl und überwand so das Hindernis.

          Wie Lichtstrahlen sich selbst kurieren

          Sowohl Bessel- als auch Airy-Strahlen haben eine weitere bemerkenswerte Eigenschaft. Sie haben die Fähigkeit, sich gewissermaßen selbst zu „heilen“. Das zeigt sich, wenn man ihnen ein nichttransparentes Objekt in den Weg stellt, das das Zentrum - also den Bereich der höchsten Intensität - ausblendet. Während ein herkömmlicher Lichtstrahl auf diese Weise daran gehindert wird, sich weiter auszubreiten, werden die Flanken eines Bessel- oder Airy-Strahls am Hindernis lediglich gebeugt. Es bildet sich dahinter wieder ein vollständiger, wenn auch weniger heller Strahl, der den Weg in die ursprünglichen Richtung fortsetzt.

          Dass man diese Fähigkeit zur Führung elektrischer Entladungen nutzen kann, haben die Forscher um Clerici mit einem Bessel-Strahl demonstriert. Ein an einer Metallspitze ausgelöster Funke folgte dem ursprünglichen Lichtstrahl zunächst bis zum Hindernis und folgte anschließend dem „genesenen“ Lichtstrahl bis zur anderen Spitze. Da direkt hinter dem Hindernis kein Lichtstrahl vorhanden war, musste die Entladung hier ihren Weg durch die Luft selbst finden. Der Funke schlug von Laserpuls zu Laserpuls ganz unterschiedliche Wege ein.

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