Bliksemtoren: de torens die bliksem lokken, bestuderen en straks sturen
Een bliksemtoren is een hoge toren die bewust wordt ingezet om blikseminslagen te lokken, tot in detail te bestuderen of, in de nieuwste vorm, actief te sturen. Dat kan een bestaande zendmast of telecommunicatietoren zijn die is volgehangen met meetapparatuur, een speciaal gebouwde onderzoeksmast, of zelfs een combinatie van een toren met een laser die de lucht erboven tijdelijk geleidend maakt. Het basisidee is telkens hetzelfde: bliksem zoekt de kortste, makkelijkste weg naar de grond, en een hoge, scherpe punt maakt die weg voorspelbaar.
Vergelijk het met een vinger die je omhoogsteekt in een volle zaal: hoe hoger en spitser die vinger boven de rest uitsteekt, hoe groter de kans dat een vallend voorwerp precies daar terechtkomt in plaats van ergens willekeurig in de menigte. Een bliksemtoren is zo'n vinger, maar dan uitgerust met camera's, stroomsensoren en soms een laser, zodat onderzoekers precies kunnen vastleggen wat er in de paar duizendste seconden van een blikseminslag gebeurt.
Wat is het precies?
Bliksem ontstaat doordat lading zich ophoopt in een onweerswolk, meestal negatieve lading onderin en positieve lading bovenin. Wordt het elektrisch veld tussen wolk en grond sterk genoeg, dan begint een neerwaartse leider te groeien: een dunne, vertakte kanaal van geïoniseerde, geleidende lucht dat zich in stapjes van de wolk naar beneden werkt. Dicht bij de grond kan dit veld ook een opwaartse leider opwekken vanaf hoge, geaarde objecten, die omhooggroeit om de neerwaartse leider te ontmoeten. Waar beide elkaar raken, ontstaat de zichtbare bliksemflits.
Hoge, puntige structuren wekken makkelijker zo'n opwaartse leider op, omdat het elektrisch veld zich daar concentreert. Dat principe ligt al sinds de achttiende eeuw ten grondslag aan de klassieke bliksemafleider van Benjamin Franklin: een metalen staaf die via een dikke kabel is verbonden met de grond, zodat de stroom niet door een gebouw of persoon hoeft te lopen.
Een geïnstrumenteerde bliksemtoren is in essentie zo'n hoge, geaarde constructie, maar dan volgehangen met meetapparatuur: stroomsensoren aan de voet, hogesnelheidscamera's en elektrische-veldmeters die elke inslag in detail vastleggen. Bij raket-getriggerde bliksem gaat het een stap verder: onderzoekers schieten tijdens onweer een klein raketje met een dunne, geaarde draad de wolk in. De draad ioniseert de lucht en dwingt zo op een door de wetenschappers gekozen moment en plek een bliksemontlading af, zodat apparatuur precies op tijd kan meten.
De nieuwste ontwikkeling is lasergestuurde bliksem. Daarbij vuurt een krachtige laser extreem korte lichtpulsen de lucht in, die een dun spoor van geïoniseerde luchtmoleculen achterlaten, een zogeheten plasmafilament. Dat filament gedraagt zich tijdelijk als een geleidende draad in de lucht en kan een bliksemontlading over enkele meters ombuigen richting de toren, als een soort onzichtbare verlenging van de bliksemafleider.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is betere bescherming van kwetsbare infrastructuur: luchthavens, windmolenparken, energiecentrales en lanceerplatforms voor raketten kunnen ernstige schade oplopen door een directe inslag. Een gewone bliksemafleider beschermt maar een kegelvormig gebied dat ongeveer even breed is als de toren hoog is. Met een laser zou je dat beschermde gebied in theorie kunnen vergroten of gerichter kunnen sturen, zonder overal nog hogere masten te hoeven bouwen.
Daarnaast is er een puur wetenschappelijk doel. Hoewel bliksem een van de meest voorkomende natuurverschijnselen is, is nog altijd niet volledig begrepen hoe een ontlading precies ontstaat en zich vertakt. Instrumenten op een bliksemtoren leveren nauwkeurig getimede, hoge-resolutiedata die in een open veld vrijwel onmogelijk te verkrijgen zijn.
Wat géén serieus doel is, ondanks wat je soms in speculatieve toekomstverhalen leest, is het oogsten van energie uit bliksem als stroombron. De hoeveelheid vermogen tijdens een inslag is enorm, maar de totale energie is beperkt en wordt in een fractie van een milliseconde afgegeven, op een moment en plaats die nauwelijks te voorspellen zijn. Er bestaat geen techniek die zulke pieken efficiënt kan opvangen en opslaan, en geen van de hieronder genoemde onderzoeksgroepen werkt daar dan ook aan.
Voorbeelden uit de praktijk
Camp Blanding, Florida (VS): sinds begin jaren negentig van de vorige eeuw runt de Universiteit van Florida hier het International Center for Lightning Research and Testing (ICLRT), een van de bekendste locaties voor raket-getriggerde bliksem. Onderzoekers gebruiken deze site om bliksemstromen, schadepatronen en de effectiviteit van beveiligingssystemen te testen onder gecontroleerde omstandigheden.
Morro do Cachimbo, Brazilië: deze instrumenten-toren, verbonden aan een universiteit in de deelstaat Minas Gerais, registreert al decennialang natuurlijke blikseminslagen in een gebied met een van de hoogste onweersfrequenties ter wereld. De verzamelde data worden wereldwijd gebruikt in bliksemonderzoek.
Gaisberg-toren, Oostenrijk: deze ongeveer honderd meter hoge zendmast bij Salzburg wordt tientallen keren per jaar getroffen en maakt deel uit van het Oostenrijkse bliksemdetectienetwerk ALDIS. De toren geldt als een van de best gedocumenteerde natuurlijke bliksemlocaties van Europa.
Säntis-toren, Zwitserland (2021-2023): op deze telecommunicatietoren voerde een internationaal team, met onder meer de Zwitserse technische universiteit EPFL en de Universiteit van Genève, in de zomer van 2021 het zogeheten Laser Lightning Rod-experiment uit. Een krachtige laser werd naast de toren opgesteld om tijdens onweer plasmafilamenten de lucht in te sturen. De resultaten, gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Photonics begin 2023, toonden voor het eerst aan dat een laser een natuurlijke blikseminslag daadwerkelijk kan ombuigen richting de toren.
Hoe ver is de techniek?
Geïnstrumenteerde torens en raket-getriggerde bliksem zijn beproefde, decennia oude technieken die op meerdere plekken ter wereld routinematig worden ingezet. Ze zijn betrouwbaar, maar wel duur en afhankelijk van daadwerkelijk onweer, waardoor onderzoekers soms weken moeten wachten op de juiste weersomstandigheden.
Lasergestuurde bliksem staat nog in een pril stadium. Het Säntis-experiment was een eerste veldproef die aantoonde dat het principe werkt, maar het ging om een beperkt aantal inslagen die over een afstand van enkele meters werden omgebogen, niet om een op afroep inzetbaar systeem. De benodigde laserinstallaties zijn groot en kostbaar, ter grootte van een container, en moeten betrouwbaar functioneren in vochtig, onstuimig onweersweer, wat technisch veeleisend is. Voordat de techniek breed inzetbaar is voor bijvoorbeeld luchthavens of energiecentrales zijn nog jaren van aanvullende veldtests op verschillende locaties nodig.
Wie werken eraan?
Op het gebied van lasergestuurde bliksem lopen de Zwitserse technische universiteit EPFL en de Universiteit van Genève voorop, in samenwerking met Franse onderzoeksinstituten op het gebied van lasertechnologie en gespecialiseerde laserfabrikanten die de apparatuur leverden. In de Verenigde Staten is de Universiteit van Florida met het ICLRT in Camp Blanding al langer een centrale speler in raket-getriggerd bliksemonderzoek. In Brazilië en Oostenrijk beheren nationale universiteiten en netwerken als ALDIS hun eigen instrumenten-torens. Daarnaast leveren meteorologische instituten en gespecialiseerde bedrijven in bliksemdetectie, zoals het Finse Vaisala, wereldwijd de sensoren en detectienetwerken waarmee deze torens en losstaande metingen worden gecombineerd tot een breder beeld van bliksemactiviteit.