Lasersäde tuottaa taivaalle molekyylejä, joiden ympärille vesipisarat voivat tiivistyä.

Teksti: Kalevi Rantanen

Lasersäde tuottaa taivaalle molekyylejä, joiden ympärille vesipisarat voivat tiivistyä.

Julkaistu Tiede -lehdessä 8/2011Tulevaisuuden maanviljelijä soittaa sadepalveluun: ”Tilaisin kastelun huomiseksi.” Seuraavana päivänä paikalle ajaa rekan kokoinen auto, joka alkaa pyyhkiä taivasta lasersäteellä. Kohta pisarat ropisevat.Sateen tekeminen laserilla voi olla todellisuutta 2020-luvulla. – Sanoisin, että aikatähtäin on kymmenen vuoden paikkeilla, arvioi fyysikko Jérôme Kasparian Geneven yliopistosta.Kasparian työskentelee sveitsiläis-ranskalais-saksalaisessa Teramobile-hankkeessa, joka on kerännyt perustietoa sään hallitsemiseksi laserilla. Teramobile tarkoittaa siirrettävää, teholtaan terawattitason laseria, jonka koko varustus mahtuu yhteen kuljetuskonttiin. Keski-Euroopan lasersadetushanke on ainutlaatuinen. Kasparianin mukaan vain Kanadassa ja Kiinassa on aloiteltu kilpailevaa tutkimusta.

Kuin keinotekoinen salamaKun laserin teho on tarpeeksi suuri eli yli kolme gigawattia 800 nanometrin aallonpituudella, syntyy purkauskanava, joka ulottuu kilometrien päähän. Peileillä suuntaamalla sillä voi pyyhkiä pilviä ja, jos kaikki menee nappiin, synnyttää sadetta. Purkauskanava muistuttaa salamaa, ja laitteella tutkitaankin myös salamointia. Parhaassa tapauksessa opitaan siis hallitsemaan ukkostakin. Kanavassa vaikuttaa optinen Kerr-ilmiö, joka tarkoittaa aineen taitekertoimen muuttumista valon vaikutuksesta. Ilmiö on erikoistapaus yleisestä Kerr-ilmiöstä, jossa sähkömagneettinen kenttä muuttaa aineen taitekerrointa. Kerr-ilmiön yksi seuraus on, että ilma keskittää lasersädettä linssin tavoin. Samalla säde iskee ilman molekyyleistä eroon ioneja, jotka heikentävät keskittymisilmiötä. Kahden vaikutuksen tasapainottaessa toisiaan syntyy purkauskanava, joka muistuttaa peräkkäisiä linssejä.

Muodostuu tiivistymisytimiäPurkauskanavassa muodostuu plasmaa, jossa on runsaasti vapaita elektroneja, biljoonia yhdessä kuutiosenttimetrissä. Elektronit tarttuvat happimolekyyleihin, jolloin syntyy negatiivisia happi-ioneja.Tiheät varaukset voivat synnyttää myös kolmen hapen muodostamia otsonimolekyylejä ja hapen ja vedyn muodostamia hydroksyyliradikaaleja. Radikaalit ovat sähköisesti varautuneita molekyylipalasia, jotka reagoivat ärhäkästi eri aineiden kanssa. Ilmassa hydroksyyliradikaalit hapettavat typpeä ja rikkidioksidia, jolloin syntyy typpi- ja rikkihappomolekyylejä. Happomolekyylit ovat hygroskooppisia eli vettä imeviä, ja toimivat siksi tiivistymisytiminä. Vesi tiivistyy niiden ympärille pisaroiksi ja jääkiteiksi, jotka lopulta putoavat vesipisaroina maahan.

Toimii sumukammiossaTutkijat testasivat tekniikkaa ensin keinotekoisessa pilvessä eli sumukammiossa. Siellä ilman suhteellinen kosteus on sata prosenttia tai enemmän.Ensimmäisen sumukammion rakensi jo 1890-luvulla skottifyysikko Charles Wilson. Vuonna 1896 hän havaitsi ”sateen kaltaista” pisarointia sumussa, jota läpivalaistiin hiljakkoin löydetyillä röntgensäteillä. Kaasu ionisoitui ja ionien ympärille syntyi pisaroita. Pienet pisarat voitiin valokuvata. Sumukammiosta tuli kätevä tutkimusväline, mutta pisaroiden synnyttämisestä taivaan pilvissä ei edes haaveiltu. Puuttui tarpeeksi tehokas säteilylähde. Laserinkin teho oli aluksi liian pieni. Tilanne muuttui, kun 1980-luvulla opittiin tuottamaan taajuusmoduloitu pulssi. Alkuperäistä pulssia ensin ”venytetään” ja ”madalletaan”. Sitten ”matala” pulssi vahvistetaan. Lopuksi pulssi taas puristetaan kasaan eli synnytetään korkea tehopiikki. Tekniikalla tavoitellaan uusia voimavaikutuksia. Kunnianhimoisin ajatus lienee lämpöydinreaktion toteuttaminen laserilla. Jos fuusiovoima on mahdollisuuksien rajoissa, niin kai sitten sadekin.

Taivaalla vielä turhan heikkoTeramobile-tutkijat veivät laitteensa Berliinin taivaan alle ja suuntasivat säteen suoraan ylös. Laser tuotti ultralyhyitä, 60 femtosekunnin eli 60 sekunnin miljardisosan miljoonasosan pulsseja. Kun energia keskitetään näin pieneen ajanjaksoon, teho nousee suureksi. Tässä tapauksessa pulssin teho oli kolme ja puoli terawattia eli enemmän kuin maailman kaikkien sähkögeneraattorien keskiteho yhteensä.Optisella tutkalla tutkijat havaitsivat, että tiivistymisytimiä syntyi. Sateen aikaansaamiseksi ytimet olivat kuitenkin vielä liian pieniä. – Suurin haaste on saada mikrometrikoon hiukkaset kasvamaan oikeiksi pisaroiksi, jotka voivat tulla sateena alas, sanoo professori Kasparian. – Toinen haaste on aktivoida suuri tila ilmassa, ei vain vähäinen purkauskanava lasersäteen ympärillä. – Kumpikin tehtävä on mahdollista toteuttaa noin kymmenessä vuodessa sekä meidän tutkimuksemme edistymisen että lasertekniikan paranemisen ansiosta, Kasparian arvioi. – Saataville tulee enemmän tehoa pienemmissä ja helpommin liikuteltavissa laitteissa.

Molekyyleistä pisaroiksi

1. Ilmassa on kaasumolekyylien seassa aina vesimolekyylejä ja erilaisia epäpuhtauksia, esimerkiksi rikkiä.2. Laserpulssi synnyttää ilmaan purkauskanavan ja ionisoi sisään jäävän ilman plasmaksi. Ionit takertuvat sopiviin molekyyleihin, jolloin syntyy uusia, isompia molekyylejä. 3. Uudet molekyylit kykenevät imemään vettä ja toimivat tiivistymisytiminä, joiden ympärille ilman kosteus alkaa kerääntyä. 4. Kun vesimolekyylejä on koossa riittävästi, syntyy pisaroita, jotka putoavat sateena maahan.

Hiilihaposta laseriin

Teramobile-hanke on katkaissut pitkän hiljaisuuden sateentekoalalla. Vuonna 1946 yhdysvaltalaiset kemistit Irving Langmuir ja Vincent Schaefer kylvivät pilveen hienonnettua hiilihappojäätä vesipisaroiden tiivistymisytimiksi. Myöhemmin kokeita on toistettu eri aineilla, kuten hopeajodidilla. Kylvömenetelmä on osoittautunut epäluotettavaksi. Välillä on satanut, välillä ei. Jos on satanut, on ollut epäselvää, tuliko vettä sateenteon ansiosta vai siitä huolimatta. Laser on periaatteellisesti uusi ratkaisu. Kemikaaleja ei tarvita. Laser voi myös toimia jatkuvasti, kun taas kemikaaleja pilviin kylvävien rakettien ja lentokoneiden toiminta-aika on rajallinen.