Lorsqu’un laser sert de paratonnerre

Crédit : Pix Videos Production Company

Guider les éclairs par laser. Cela pourrait être le pouvoir d’un superhéros. Il ne s’agit cependant pas là d’un scénario de science-fiction, mais du projet de recherche européen FET-OPEN Laser lightning rod, auquel participe le Laboratoire d’optique appliquée (*LOA). Il a pour but de construire un paratonnerre laser afin de protéger de la foudre. Les scientifiques s’apprêtent à le tester en Suisse, au sommet de la montagne du Säntis.

Le phénomène des éclairs

Lors d’un orage, la partie inférieure du nuage se charge négativement. Cela attire en réaction des charges positives à la surface du sol, plusieurs centaines de mètres plus bas. Il en résulte une différence de potentiel qui peut atteindre plusieurs dizaines de millions de volts. Localement, au niveau du nuage ou du sol, le champ électrique peut dépasser le seuil au-delà duquel les électrons sont arrachés aux molécules d’air : l’air s’ionise et une décharge s’amorce. Ce « traceur » progresse de façon ascendante ou descendante selon les cas. S’il descend depuis le nuage, il entraîne une augmentation du champ électrique au niveau du sol, jusqu’à initier un traceur ascendant. Lorsque ces traceurs descendant et ascendant se rejoignent, un courant d’une très forte intensité circule du nuage vers la terre, provoquant éclair et tonnerre. C’est le coup de foudre.

 Le paratonnerre classique, inventé par Benjamin Franklin en 1752, favorise l’initiation de la décharge ascendante par effet de pointe, qui renforce localement le champ électrique. Mais il possède quelques limites ; celle, par exemple, de ne pas convenir à des aéroports ou des pas de tirs des lanceurs spatiaux qui nécessitent de protéger de très grandes surfaces. L’alternative consistant en des mini-fusées tractant un câble métallique a par ailleurs montré son efficacité pour déclencher les éclairs mais elle est difficilement réutilisable et présente des risques à la retombée des engins.

Un projet européen et une expérience en Suisse

Le projet Laser lightning rod cherche à guider des décharges électriques grâce à la filamentation laser. Ce phénomène, qui a d’autres applications prometteuses, se produit lorsqu’un faisceau laser intense se propage dans un milieu comme de l’air. A cause d’effets non-linéaires, le faisceau se focalise à l’extrême. Cela a pour conséquence d’ioniser les molécules d’air et de former un plasma. « Surtout, l’air brusquement chauffé se dilate, ce qui crée un canal avec une faible densité de molécules d’air » explique Aurélien Houard coordinateur du projet et chercheur au LOA. Le déplacement d’autres particules, comme les électrons de la foudre, est donc facilité dans ce canal, ce qui en fait un chemin préférentiel pour les traceurs ascendants.

Décharge électrique guidée dans un faisceau laser en laboratoire. Crédit : Pierre Walch

Pour atteindre ce but, l’équipe du LOA s’est associée avec plusieurs partenaires dont l’université de Genève, l’Ecole polytechnique fédérale de Lausanne ou encore la société allemande TRUMPF Scientific qui développe le laser, qui émet des impulsions picosecondes (qui ne durent que quelques millièmes de milliardièmes de seconde). « Ce nouveau laser est plus énergétique que ceux utilisés précédemment pour ce type d’expériences, ce qui crée des filaments plus longs, souligne Pierre Walch, doctorant au LOA. Surtout, il tire 1000 fois par seconde, une cadence qui entretient le canal de faible densité et qui le creuse même un peu plus à chaque impulsion. » Après des tests en laboratoire, l’équipe a le défi de déployer ce système pesant une tonne et mesurant dix mètres de long dans les alpes suisses au sommet du mont Säntis (2502 mètres) afin de mener une campagne d’observation de juin à septembre, lorsque les orages sont fréquents. Si l’expérience est concluante, ce serait la première mise en évidence du guidage laser sur la foudre grandeur nature.

>En savoir plus sur l’installation de l’expérience au mont Säntis

*LOA : une unité mixte de recherche CNRS, École polytechnique - Institut Polytechnique de Paris, ENSTA Paris - Institut Polytechnique de Paris