Le projet Lightning Rod : un faisceau laser pour contrôler la foudre

La foudre est un risque natu­rel majeur et on estime qu’elle fait 6 000 à 24 000 vic­times par an dans le monde. La foudre pro­voque éga­le­ment des cou­pures de cou­rant, des incen­dies de forêt et des dom­mages aux équi­pe­ments élec­tro­niques qui coûtent des mil­liards d’eu­ros chaque année.

Un éclair se forme lorsque l’air tur­bu­lent d’un nuage d’o­rage per­turbe vio­lem­ment les cris­taux de glace et les gout­te­lettes d’eau qu’il contient, arra­chant des élec­trons à leurs atomes pour créer un plas­ma (un gaz ioni­sé). Ce pro­ces­sus crée des zones de charge élec­trique oppo­sées qui peuvent se connec­ter par une décharge d’électricité. 

Aujourd’­hui, la méthode la plus cou­rante pour se pro­té­ger contre la foudre est encore assu­rée par un concept vieux de 300 ans inven­té par Ben­ja­min Frank­lin : le para­ton­nerre. Cette antenne métal­lique conduc­trice offre un point d’im­pact pré­fé­ren­tiel pour les décharges de foudre et guide le cou­rant pro­duit en toute sécu­ri­té vers le sol. Cepen­dant, ce type de para­ton­nerre n’offre qu’une cou­ver­ture limi­tée – sur un rayon à peu près équi­valent à sa hau­teur. De plus, ces struc­tures ne pro­tègent que contre l’ef­fet direct de la foudre et, en atti­rant les coups de foudre, elles peuvent même aug­men­ter les effets indi­rects comme les per­tur­ba­tions élec­tro­ma­gné­tiques et les sur­ten­sions sur les appa­reils électroniques.

Les scien­ti­fiques ont iden­ti­fié les fais­ceaux laser intenses comme des types alter­na­tifs de para­ton­nerres « mobiles » dès les années 1970, avec les pre­miers lasers à impul­sions longues qui leur ont per­mis de gui­der des décharges méga­volts sur quelques mètres en labo­ra­toire. Mais c’est le déve­lop­pe­ment des lasers à impul­sion fem­to­se­conde intense, per­met­tant de géné­rer des longs fila­ments de plas­ma, qui a révo­lu­tion­né le domaine dans les années 1990. L’i­dée : ces fais­ceaux laser sont tirés vers le nuage. Des fila­ments de lumière très intense se forment alors dans les fais­ceaux et ionisent les molé­cules d’a­zote et d’oxy­gène de l’air. Ce pro­ces­sus crée des élec­trons libres et les longs fila­ments d’air ioni­sé sont plus conduc­teurs que les zones envi­ron­nantes. Ces canaux créent alors un che­min le long duquel les décharges élec­triques de l’é­clair peuvent se propager.

Auré­lien Houard et ses col­lègues ont tes­té avec suc­cès leur idée au cours de l’é­té 2021 dans les Alpes suisses – sur la mon­tagne du Sän­tis, dans le nord-est de la Suisse, pour être exact. Cette mon­tagne de 2 500 m d’al­ti­tude est un « point chaud » pour la foudre, avec plus de 100 impacts enre­gis­trés chaque année sur la tour de com­mu­ni­ca­tion de 124 m de haut qui se trouve à son som­met. Les cher­cheurs ont ins­tal­lé leur laser – qui a néces­si­té quatre ans de déve­lop­pe­ment et de tests en labo­ra­toire et qui émet des impul­sions laser pico­se­condes d’une éner­gie de plus de 500 mJ à un rythme de 1 000 impulsions/seconde – près de la tour de communication.

Grâce au laser, le rayon de pro­tec­tion est pas­sé de 120 m à 180 m autour de la tour. 

Au cours de leurs expé­riences, qui ont duré trois mois, la tour a été frap­pée par au moins seize éclairs, dont quatre se sont pro­duits lorsque le laser était allu­mé. Grâce à ce der­nier, les cher­cheurs ont pu détour­ner ces quatre frappes de la foudre. Ils ont éga­le­ment pu enre­gis­trer la tra­jec­toire de l’un des impacts à l’aide de deux camé­ras à haute vitesse. Les enre­gis­tre­ments ont révé­lé que le tra­ceur de foudre a ini­tia­le­ment sui­vi la tra­jec­toire du laser sur une dis­tance d’en­vi­ron 60 m avant d’at­teindre la tour, ce qui signi­fie que le rayon de pro­tec­tion est pas­sé de 120 m à 180 m autour de la tour.

Les appli­ca­tions immé­diates de cette tech­no­lo­gie seraient de pro­té­ger de la foudre les infra­struc­tures cri­tiques comme les aéro­ports, les rampes de lan­ce­ment, les cen­trales nucléaires, les gratte-ciels et les forêts. Le para­ton­nerre laser serait allu­mé en cas de besoin pen­dant les orages et lors­qu’un nuage d’orage est détecté.

« Le pro­jet de para­ton­nerre laser LLR a été ini­tié par mon équipe et celle de mon homo­logue suisse, Jean-Pierre Wolf à l’U­ni­ver­si­té de Genève. », déclare Auré­lien Houard. « Nous tra­vaillons sur ce sujet de la fila­men­ta­tion laser et des para­ton­nerres laser depuis plus de 20 ans. C’est le suc­cès de nos expé­riences en labo­ra­toire et le fait que nous ayons accès à une nou­velle tech­no­lo­gie laser capable de pro­duire des impul­sions laser ultra­courtes et intenses avec une cadence de 1 000 tirs laser par seconde qui nous ont encou­ra­gés à lan­cer le pro­jet. »

La tech­no­lo­gie a été déve­lop­pée par la socié­té TRUMPF Scien­ti­fic Lasers, basée à Munich. « Nous nous sommes tour­nés vers eux pour leur deman­der de fabri­quer le plus puis­sant laser qu’ils pou­vaient avec leur tech­no­lo­gie, et nous avons com­man­dé un laser de 1 joule. Nous avons ensuite for­mé un consor­tium avec des experts suisses de la foudre à l’EPFL, avec le Pr. André Mysy­ro­wicz, qui avait ini­tié le pro­jet il y a 20 ans et inter­ve­nait en tant que consul­tant, et la socié­té Aria­ne­Group. Cette der­nière est direc­te­ment inté­res­sée par ce type de sys­tème pour la pro­tec­tion des aéro­ports et de la fusée Ariane. »

Outre le fait que le laser soit plus puis­sant que tous ceux aux­quels l’é­quipe avait accès aupa­ra­vant, le site qu’ils ont choi­si pour leurs expé­riences a éga­le­ment été déter­mi­nant. « La mon­tagne du Sän­tis est l’un des sites les plus fou­droyés d’Eu­rope. De plus, la foudre frappe tou­jours au même endroit, c’est donc idéal pour le type d’ex­pé­rience où nous vou­lions maxi­mi­ser nos chances que le laser inter­agisse avec la foudre.

« Les expé­riences sur les éclairs sont très com­pli­quées – il faut par­fois des mois, voire des années, pour qu’un éclair frappe un endroit par­ti­cu­lier. », explique Auré­lien Houard. Le laser lui-même étant coû­teux, le consor­tium a fait une demande de finan­ce­ment auprès de la Com­mis­sion euro­péenne. « Ce fut un long pro­ces­sus car les fonds que nous avons sol­li­ci­tés sont des­ti­nés à la recherche col­la­bo­ra­tive (au moins trois pays et trois par­te­naires) et à la recherche dite ‘de rup­ture’ qui peut béné­fi­cier à la société.

« Pour poser notre can­di­da­ture, nous avons dû démon­trer que le laser pou­vait contrô­ler les décharges élec­triques en labo­ra­toire sur plu­sieurs mètres, ce que nous avons fait avec suc­cès », détaille Auré­lien Houard. « Nous n’é­tions cepen­dant pas sûrs que la tech­nique fonc­tion­ne­rait sur des dis­tances beau­coup plus longues, comme c’est le cas avec la foudre natu­relle, car les valeurs des champs élec­triques y sont com­plè­te­ment dif­fé­rentes. »

Au début du pro­jet, le déve­lop­pe­ment du laser par TRUMPF a pris deux ans : il s’est avé­ré plus dif­fi­cile que les cher­cheurs ne le pen­saient au départ. Ils ont ensuite dû tes­ter l’appareil et s’as­su­rer qu’il était capable de pro­duire des fila­ments sur des dis­tances de 100 mètres. Mais lorsqu’ils ont vou­lu démar­rer leurs expé­riences, le Covid est arri­vé, et les cher­cheurs ont dû tout arrê­ter. « Nous avons dû repous­ser toute la cam­pagne d’un an, ce qui impli­quait de trou­ver des fonds sup­plé­men­taires. », raconte Auré­lien Houard.

Les expé­riences sur les éclairs sont très com­pli­quées – il faut par­fois des mois, voire des années, pour qu’un éclair frappe un endroit particulier. 

Les dif­fi­cul­tés n’é­taient pas seule­ment finan­cières : elles étaient aus­si pra­tiques. Il s’a­gis­sait d’apporter un laser qui pesait cinq tonnes et mesu­rait neuf mètres de long jus­qu’au som­met d’une mon­tagne. « Le som­met n’é­tait acces­sible que par télé­phé­rique et nous avons dû démon­ter le laser pour pou­voir l’y mettre. Une fois là-haut, nous avons dû construire un bâti­ment pour abri­ter un téles­cope qui foca­li­se­rait le laser dans l’at­mo­sphère. Cette construc­tion a néces­si­té de mul­tiples voyages en héli­co­ptère et l’es­poir de bonnes condi­tions météo­ro­lo­giques – c’est-à-dire pas trop de vent et de neige – afin que nous puis­sions ins­tal­ler tous nos ins­tru­ments. Il nous a ensuite fal­lu envi­ron un mois pour tout faire fonc­tion­ner. »

L’é­quipe a éga­le­ment dû obte­nir l’au­to­ri­sa­tion des auto­ri­tés locales avant de tirer son laser dans les airs : une zone d’ex­clu­sion aérienne de 5 km de large a dû être orga­ni­sée chaque fois que le laser devait être activé.

Des efforts qui ont por­té leurs fruits : « Nous avons eu la chance de voir la foudre déviée sur deux pho­tos en même temps – ce qui est rare, car les nuages au som­met des mon­tagnes cachent sou­vent les éclairs. Nous avons détaillé ces obser­va­tions dans Nature Pho­to­nics et notre publi­ca­tion a sus­ci­té un très grand inté­rêt de la part des médias. »

Il reste cepen­dant beau­coup de tra­vail à faire selon le cher­cheur. « Si nous avons pu mon­trer qu’un fais­ceau laser peut dévier la foudre, nous ne pou­vons pas encore quan­ti­fier faci­le­ment que la pro­tec­tion four­nie par le laser est équi­va­lente à celle d’un para­ton­nerre clas­sique de type Frank­lin. Pour ce faire, nous devons être sûrs que lorsque le laser est allu­mé, la foudre vou­dra pas­ser par le che­min tra­cé par les fila­ments du faisceau.

« Les tiges de type para­ton­nerre de Frank­lin existent depuis des cen­taines d’an­nées et ont été lar­ge­ment tes­tées et modé­li­sées, mais notre laser est nou­veau et nous ne com­pre­nons pas encore toute la phy­sique qui le sous-tend » conclut Auré­lien Houard.

 Isabelle Dumé

Réfé­rences

• https://​llr​-fet​.eu
• https://​www​.epjap​.org/​a​r​t​i​c​l​e​s​/​e​p​j​a​p​/​f​u​l​l​_​h​t​m​l​/​2​0​2​1​/​0​1​/​a​p​2​0​0​2​4​3​/​a​p​2​0​0​2​4​3​.html
• https://www.nature.com/articles/s41566-022–01139‑z