Comment courber la foudre avec un faisceau laser

Contrôler la foudre est une ambition monumentale, mais c'est exactement ce qu'un groupe de scientifiques européens a fait, quoique brièvement et à grands frais. En lançant un laser dans un orage suisse, ils ont eu un aperçu de la façon dont nous pourrions un jour manier les forces gargantuesques de l'atmosphère.

"C'est la première preuve convaincante de la façon dont nous pouvons contrôler la foudre dans un environnement réel."

"Ce qu'ils ont réussi à faire est impressionnant", a déclaré Matteo Clerici, professeur de photonique à l'Université de Glasgow qui n'a pas participé à la recherche. "C'est la première preuve convaincante de la façon dont nous pouvons contrôler la foudre dans un environnement réel."

Pour ce faire, l'équipe, dont les travaux ont récemment été publiés dans Nature Photonics, a créé ce qu'on appelle un filament laser. Un filament naît de l'effet d'auto-focalisation du laser lors de son passage dans l'air, qui, comme la lumière du soleil traversant une loupe convexe, concentre sa puissance. L'énergie devient si intense qu'elle "fait bouillir" les électrons des molécules d'air, ou les ionise, pour créer un plasma - une soupe de matière surchauffée. Ce faisceau de plasma chaud s'appelle un filament.

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"Lorsque vous avez un laser très puissant, si vous le tirez en l'air, il formera spontanément un filament", a déclaré le coordinateur de l'étude Aurélien Houard du Laboratoire d'optique appliquée de l'École polytechnique de Paris.

Les filaments éjectent des molécules d'air, un processus qui ouvre la voie à l'entonnoir dans la foudre. "Vous créez un canal à faible densité", a déclaré Houard. "Dans ce canal, la charge [éclair] peut aller plus vite qu'à l'extérieur." Le filament devient un chemin de moindre résistance le long duquel l'électricité circulera préférentiellement à la manière d'un paratonnerre métallique traditionnel.

Le but ultime, selon les chercheurs, est d'utiliser l'appareil pour détourner la foudre des zones sensibles comme les aéroports. En raison de leur portée beaucoup plus grande, les lasers seraient capables de protéger une zone beaucoup plus grande que les paratonnerres métalliques.

Le résultat est l'aboutissement de plus de 2 décennies de recherche et d'expérimentation.

Pour créer des filaments dans l'atmosphère, les chercheurs utilisent des lasers qui émettent des impulsions rapides d'une durée inférieure à 1 billion de seconde. C'est la brièveté qui donne à ces lasers leur puissance, simplement parce qu'il est possible de mettre plus de puissance dans le pic d'une impulsion plus courte qu'un faisceau continu. "L'idée d'un laser court est qu'avec une quantité d'énergie relativement faible, vous pouvez atteindre une intensité très élevée", a déclaré Houard.

Les tentatives précédentes de contrôle de la foudre ont échoué au Nouveau-Mexique en 2008 et à Singapour en 2011. Houard pense que cet échec était en partie dû au fait que les lasers utilisés ne pouvaient pas pulser assez rapidement pour maintenir un canal à faible densité dans le filament.

Ces lasers ne pouvaient pulser que jusqu'à 10 fois par seconde. Mais dans l'étude de Houard, les chercheurs se sont associés à une société allemande, TRUMPF Scientific Lasers, pour concevoir un laser capable d'émettre 1 000 impulsions par seconde. L'appareil, le premier du genre jamais fabriqué, a coûté plus de 2 millions d'euros à construire. "Le développement du laser a duré 2 ans, puis nous avons eu presque 2 ans d'essais", explique Houard.

Le laser de 3 tonnes a été installé à côté d'une tour de télécommunications au sommet du mont Säntis en Suisse, une localité connue pour ses coups de foudre fréquents. Les scientifiques ont dû démonter la machine, transporter les pièces dans une gondole et déployer un gros hélicoptère pour la positionner sur la montagne.

L'installation a duré 3 mois. "Après tant de temps, d'efforts et d'argent", a déclaré Houard, "il y avait de bonnes chances de ne rien voir. C'était une expérience assez risquée."

Cependant, après avoir allumé le laser et l'avoir pointé vers le ciel, les craintes de l'équipe se sont rapidement dissipées. Sur une période de 2 mois, ils ont enregistré quatre fois des éclairs suivant la trajectoire du laser. À une occasion, le ciel était suffisamment clair pour permettre aux caméras de capturer un éclair suivant le laser sur environ 50 mètres (160 pieds).

Malgré cette percée, Houard admet qu'il faudra encore longtemps avant que les lasers puissent remplacer les paratonnerres métalliques conventionnels. Pour commencer, ils doivent résoudre un certain nombre de problèmes de sécurité. Et au-delà de cela, l'appareil est incroyablement cher. "Il serait principalement disponible pour protéger une très grande infrastructure… comme une rampe de lancement ou une centrale nucléaire", a déclaré Houard.

La réalisation pourrait avoir des applications de grande envergure au-delà de la protection contre la foudre. "La démonstration qu'il est possible de contrôler un événement atmosphérique aussi important ouvre la porte à d'autres choses", a déclaré Clerici.

Par exemple, Houard fait partie d'une équipe qui utilise des filaments laser pour réduire la traînée des avions supersoniques, et des collègues, dont Jean-Pierre Wolf, qui a contribué à cette étude, ont découvert comment les filaments laser peuvent percer des trous dans les nuages, permettant une communication ininterrompue avec les satellites. Les filaments laser peuvent même créer de la pluie et de la neige.

"C'est ainsi que la science progresse. Quelqu'un démontre la possibilité, et une fois que vous avez la possibilité, il y aura des opportunités."

"Il me semble que ce travail est encore assez fondamental", a déclaré Miro Erkintalo, un physicien laser de l'Université d'Auckland qui n'a pas participé à l'étude. "C'est ainsi que la science progresse. Quelqu'un démontre la possibilité, et une fois que vous avez la possibilité, il y aura des opportunités."

"Je pense que l'esprit humain n'est pas particulièrement doué pour extrapoler la prochaine décennie", a-t-il déclaré. "La plupart des scientifiques pionniers sont ceux qui font les choses parce qu'ils veulent savoir s'ils le peuvent. Les opportunités viendront après."

—Bill Morris, rédacteur scientifique