Dévier la foudre grâce au paratonnerre laser

Incendies de forêt, coupures de courant, dommages aux installations : la foudre fascine, mais s’avère destructrice. Elle provoque jusqu’à 24 000 décès par an dans le monde et cause de nombreux dégâts. À ce jour, le paratonnerre inventé par Benjamin Franklin demeure le meilleur moyen de s’en prémunir. Cependant, il ne garantit pas toujours une protection optimale des sites sensibles.

Un consortium européen comprenant l’Université de Genève (UNIGE), l’École polytechnique (Paris), l’EPFL, HEIG-VD, et TRUMPF scientific lasers (Munich) a mis au point une alternative prometteuse: le paratonnerre laser «LLR» pour «Laser Lightning Rod». Après l’avoir testé au sommet du Säntis (Appenzell, Suisse), les scientifiques ont aujourd’hui la preuve de sa faisabilité. Il est capable de dévier la foudre sur plusieurs dizaines de mètres, même en cas de mauvais temps. Ces résultats sont à découvrir dans la revue Nature Photonics.

Tests à 2500m d’altitude

En utilisant des impulsions laser intenses pour générer des canaux d'air ionisé, qui est électriquement conducteur, le «LLR» a permis de guider la foudre le long de son faisceau. Pointé dans le prolongement d’un paratonnerre traditionnel, il pourrait en augmenter virtuellement la hauteur et de fait la surface de la zone qu’il protège. Le projet «LLR» a nécessité le développement d’un nouveau laser d’une puissance moyenne d’un kilowatt, d’un Joule par impulsion et d’une durée par impulsion d’une picoseconde. Conçu par l’entreprise TRUMPF scientific lasers, il est large de 1,5 mètre, long de 8 et pèse plus de 3 tonnes.

Testé au sommet du Säntis (2502m) déjà instrumenté par l’EPFL et la HEIG-VD / HES-SO pour l’observation de la foudre, ce laser térawatt a été focalisé au-dessus d’une tour-émettrice de 124 m appartenant à l’opérateur Swisscom, muni d’un paratonnerre traditionnel. Il s’agit de l’une des structures les plus touchées par la foudre en Europe.

La contribution de l'EPFL au projet a lieu du côté du Laboratoire de compatibilité électromagnétique (EMC), dirigé par Farhad Rachidi, de la Faculté des sciences et techniques de l’ingénieur. Les chercheurs de l'EMC ont étudié l'initiation des décharges de foudre ascendantes, et ont déployé des installations expérimentales pour l'observation de la foudre en coopération avec la HEIG-VD/HES-SO. L'instrumentation comprenait des outils de mesure du courant de la foudre sur la tour, des antennes de champ électromagnétique, des capteurs à rayons X, des caméras vidéo à haute vitesse et un système interférométrique pour imager la décharge de foudre.

«Il s'agissait d'une réalisation expérimentale remarquable en raison de la multitude de stations de mesure situées dans une région montagneuse aux conditions météorologiques difficiles, qui nécessitaient chacune des capacités de synchronisation temporelle, de surveillance et de contrôle, explique Farhad Rachidi. Ces observations simultanées nous ont permis de corroborer le guidage de la foudre à l'aide du laser haute puissance.»

Le laser a alors été activé lors de chaque prévision d’activité orageuse, entre juin et septembre 2021. Au préalable, la zone a dû être interdite au trafic aérien. «L’objectif était d’observer s’il existait une différence avec ou sans le laser. Nous avons donc comparé les données récoltées lorsque le filament laser était produit au-dessus de la tour et lorsque cette dernière était frappée par la foudre de manière naturelle», explique Aurélien Houard, chercheur au Laboratoire d’optique appliquée (LOA) et coordinateur du projet.

Efficace même à travers les nuages

Il a fallu près d’une année pour analyser la quantité colossale de données récoltées. Cette analyse démontre aujourd’hui que le laser «LLR» est capable de guider la foudre efficacement.

«Nous avons constaté, dès le premier événement de foudre avec laser, que la décharge pouvait suivre sur près de 60 mètres le faisceau avant d’atteindre la tour, faisant ainsi passer le rayon de la surface de protection de 120m à 180m», se réjouit Jean-Pierre Wolf, professeur de la Faculté des sciences de l’UNIGE, et dernier auteur de l’étude.

L’analyse des données démontre également que le «LRR», contrairement à d’autres lasers, fonctionne même dans des conditions météorologiques difficiles - comme le brouillard, très présent au sommet du Säntis, qui peut stopper le faisceau - en perçant littéralement les nuages. Ce résultat n’avait été jusque-là observé qu’en laboratoire. Pour le consortium, la prochaine étape consistera à augmenter encore davantage la hauteur d’action du laser. L’objectif, à terme, est notamment de parvenir à prolonger de 500m un paratonnerre de 10m grâce au «LLR».