Plasmafilament: hoe een laserstraal zichzelf een geleidend kanaal door de lucht snijdt

Een plasmafilament is een piepdun, tijdelijk kanaal van elektrisch geleidend gas dat ontstaat wanneer een extreem krachtige, ultrakorte laserpuls door lucht schiet. Het is te vergelijken met wat er gebeurt bij een blikseminslag: daarbij ontstaat ook een geïoniseerd, geleidend pad door de atmosfeer, alleen bouwt de natuur dat pad op via elektrische spanning die zich langzaam opstapelt in een onweersbui. Bij een plasmafilament doet licht dat werk: een laser 'brandt' in een fractie van een oogwenk een microscopisch dun, geleidend spoor door de lucht, op de plek en het moment dat de onderzoekers zelf kiezen.

Dat gecontroleerde karakter maakt het interessant. Waar bliksem onvoorspelbaar toeslaat, kan een plasmafilament in principe worden ingezet om elektrische ontladingen te sturen, om op afstand de samenstelling van de lucht te analyseren, of om signalen te genereren die door stof en kleding heen kunnen kijken. Het is geen toekomstmuziek in de zin van sciencefiction: er lopen al tientallen jaren laboratoriumexperimenten mee, en sinds enkele jaren ook voorzichtige proeven buiten, in de open lucht.

Wat is het precies?

Alles begint met een femtosecondelaser: een laser die zijn energie niet continu afgeeft, maar in extreem korte pulsjes van minder dan een biljoenste van een seconde. Omdat zo'n puls zoveel energie in zo'n kort moment concentreert, is het piekvermogen gigantisch, in de orde van terawatts (duizenden miljarden watt), al duurt dat vermogen maar een oogwenk.

Wanneer zo'n puls door lucht reist, verandert de brekingsindex van de lucht lokaal door de hoge lichtintensiteit. Dit heet het Kerr-effect. Het gevolg is dat de lucht zelf als een lens begint te werken die de laserstraal steeds verder naar binnen buigt: de straal focust zichzelf samen, zonder dat er een echte lens nodig is.

Als die zelf-focussering intens genoeg wordt, is het elektrische veld van het licht sterk genoeg om elektronen los te rukken van stikstof- en zuurstofmoleculen in de lucht. Dat proces heet ionisatie, en het resultaat is een dun kanaal van plasma: gas waarvan de atomen hun elektronen zijn kwijtgeraakt en dat daardoor, net als metaal, elektrische stroom kan geleiden.

Dat plasma heeft een handig bijeffect: het duwt de lichtstraal juist weer iets uit elkaar. Zelf-focussering door het Kerr-effect en defocussering door het plasma houden elkaar zo in evenwicht. Daardoor blijft de straal, in plaats van normaal uit te waaieren zoals een zaklamp, over een afstand van meters tot enkele tientallen meters bijeen in een kanaal van minder dan een millimeter dik. Dat zelf-geleidende lichtkanaal, met zijn spoor van geïoniseerde, geleidende lucht, is het plasmafilament.

Wat wil men ermee bereiken?

De aantrekkingskracht van plasmafilamenten zit in één woord: afstand. Met licht kun je op afstand iets geleidend maken, zonder dat er een fysieke draad, mast of antenne hoeft te staan. Dat opent een aantal toepassingen die anders moeilijk of duur zijn.

De meest besproken toepassing is bliksembeheersing: een laser richten op een onweersbui om de ontlading naar een gewenst punt te leiden, zoals een bestaande bliksemafleider. Dat zou torenhoge, massieve bliksemafleiders op kwetsbare locaties (vliegvelden, energiecentrales, windturbines) kunnen aanvullen of effectiever maken.

Een tweede doel is atmosferisch onderzoek op afstand: het filament zet een deel van het laserlicht om in een breed kleurenspectrum (een zogeheten witte-licht-supercontinuüm), waarmee op afstand de samenstelling van lucht geanalyseerd kan worden, bijvoorbeeld om luchtvervuiling of gaslekken te detecteren zonder er een sensor te moeten plaatsen.

Daarnaast wordt gekeken naar terahertzgolven: straling tussen microgolven en infrarood licht in, die door plasmafilamenten kan worden opgewekt. Terahertzstraling is niet ioniserend (dus veiliger dan röntgenstraling) en kan door kleding, verpakking en sommige wanden heen kijken, wat interessant is voor het op afstand opsporen van verborgen explosieven of chemicaliën.

Tot slot is er militair en defensief onderzoek naar het sturen van elektrische ontladingen met licht, vaak onder de noemer directed energy: onderzoek naar hoe energie (licht, microgolven) gericht en op afstand kan worden ingezet, hier dus als hulpmiddel om een geleidend pad te scheppen in plaats van als wapen.

Voorbeelden uit de praktijk

Teramobile (circa 2000-2010) was een Frans-Duitse samenwerking tussen onder meer het Franse onderzoekscentrum CNRS, de Friedrich-Schiller-Universität Jena, de École Polytechnique en universiteiten in Lyon en Genève. Zij bouwden een mobiele terawatt-femtosecondelaser in een vrachtwagencontainer, om filamentatie niet alleen in het lab maar ook buiten te kunnen bestuderen, onder meer voor laser-radar (LIDAR) en het op afstand opsporen van luchtvervuiling.

De bekendste recente proef is het Laser Lightning Rod-project bij de Säntis-zendmast in Zwitserland (2502 meter hoog), uitgevoerd in de zomer van 2021 door de Universiteit van Genève (de groep van natuurkundige Jean-Pierre Wolf), de École Polytechnique en het Duits-Zwitserse laserbedrijf TRUMPF. De resultaten werden in januari 2023 gepubliceerd in het vaktijdschrift Nature Photonics. Tijdens de meetcampagne vonden er, terwijl de laser actief was, meerdere blikseminslagen plaats, en in minstens één duidelijk gedocumenteerd geval leek de ontlading het laserkanaal te volgen over enkele tientallen meters voordat die de bestaande bliksemafleider bereikte. Het was de eerste keer dat zo'n effect buiten het laboratorium, tijdens echt onweer, werd waargenomen.

In het laboratorium onderzoekt de groep van natuurkundige Howard Milchberg aan de Universiteit van Maryland al langer hoe filamenten elektrische ontladingen kunnen triggeren en geleiden, met hoogspanningsapparatuur in plaats van onweer als bron. Dat werk draagt ook bij aan fundamenteel begrip dat nodig is voor remote sensing en voor onderzoek dat met Amerikaanse defensiefinanciering wordt gedaan.

Verder lopen er diverse onderzoeksprojecten naar terahertzgeneratie met plasmafilamenten voor stand-off detectie, waarbij groepen wereldwijd experimenteren met het omzetten van laserlicht in terahertzpulsen voor beeldvorming en materiaalanalyse op afstand.

Hoe ver is de techniek?

Plasmafilamenten bevinden zich tussen fundamenteel laboratoriumonderzoek en voorzichtige praktijkproeven. De stap van Teramobile (puur onderzoek, in en rond het lab) naar de Säntis-proef in 2021/2023 (een echte buitenproef tijdens natuurlijk onweer) is een belangrijke mijlpaal, maar het is vooralsnog een eenmalig, goed gedocumenteerd experiment, geen operationeel systeem.

Er zijn verschillende hardnekkige obstakels. Ten eerste is de techniek sterk weersafhankelijk: mist, regen en wolken verstrooien en verzwakken de laserbundel, waardoor filamentatie juist tijdens slecht weer—wanneer je bliksembescherming het hardst nodig hebt—minder goed werkt. Ten tweede zijn de benodigde terawatt-lasersystemen groot, duur en energie-intensief; ze zijn niet zomaar op elk gebouw of elke windturbine te plaatsen.

Ten derde is er een probleem met de herhalingsfrequentie: een bliksemafleider moet in principe continu klaarstaan, terwijl de laserpulsen die een filament vormen maar een fractie van een seconde duren. Voor permanente bescherming zijn veel pulsen per seconde nodig, wat de apparatuur technisch en energetisch zwaarder maakt. Ten slotte reikt een filament maar een beperkte afstand, van meters tot enkele tientallen meters, waardoor opschaling naar grotere hoogtes of afstanden nog een open vraag is.

Sinds de publicatie in 2023 wordt er vervolgonderzoek gedaan naar robuustere en weersonafhankelijkere lasersystemen, maar van commerciële of operationele inzet van laser-bliksembescherming is nog geen sprake. Onderzoekers zijn voorzichtig optimistisch over het principe, maar benadrukken zelf dat er nog veel werk nodig is voordat dit praktisch inzetbaar is.

Wie werken eraan?

De kern van het Europese onderzoek ligt bij de Universiteit van Genève (natuurkundegroep van Jean-Pierre Wolf) en de Franse École Polytechnique, met haar Laboratoire d'Optique Appliquée dat al decennialang aan laserfilamentatie werkt. Het Duits-Zwitserse laserbedrijf TRUMPF leverde de hoogvermogen-laser voor de Säntis-proef en is daarmee een belangrijke industriële partner.

De Franse onderzoeksorganisatie CNRS en de Friedrich-Schiller-Universität Jena in Duitsland zijn, als erfgenamen van het Teramobile-project, nog altijd actief op het gebied van mobiele hoogvermogenlasers voor atmosferisch onderzoek. In de Verenigde Staten is de Universiteit van Maryland, met de groep van Howard Milchberg, een belangrijk centrum voor fundamenteel filamentonderzoek, mede gefinancierd vanuit Amerikaans defensieonderzoek naar directed energy en remote sensing.

Op bredere laserinfrastructuur-schaal draagt Extreme Light Infrastructure (ELI), met een vestiging in Tsjechië, bij aan onderzoek naar ultrakorte hoogvermogenlasers die ook relevant zijn voor filamentatieonderzoek, als onderdeel van een Europees netwerk van laserfaciliteiten.

Verder lezen

• Nature — het vaktijdschrift waarin de Säntis-studie over laser-bliksembeheersing in 2023 werd gepubliceerd.
• Université de Genève — de universiteit van de onderzoeksgroep die het Laser Lightning Rod-project leidde.
• École Polytechnique — Franse onderzoeksinstelling met een lange traditie in laserfilamentatie-onderzoek.
• TRUMPF — het laserbedrijf dat de hoogvermogenlaser voor de Säntis-proef bouwde en leverde.
• American Physical Society — Amerikaanse natuurkundevereniging met achtergrondinformatie over plasmafysica en laseroptica.