Energia pojedynczego uderzenia pioruna jest potężna – szacuje się ją na około miliard dżuli, co odpowiada około 278 kWh. Taka ilość energii mogłaby sześciokrotnie naładować popularny elektryczny samochód Hyundai Ioniq 6. Co roku na świecie notuje się około 1,4 miliarda wyładowań atmosferycznych, co oznacza średnio 44 uderzenia na sekundę. W skali globalnej przekłada się to na około 383,6 TWh – niemal 1,5 proc. rocznego zużycia energii na świecie.
Czytaj też: Polacy na tropie burz. Pioruny nie będą już szkodzić pewnym, specyficznym budynkom
Perspektywa ujarzmienia takiej siły natury kusiła naukowców od dekad, ale żaden ze znanych systemów nie pozwalał dotąd na bezpieczne i efektywne pozyskiwanie energii z piorunów. Poza tym samo zjawisko jest niebezpieczne – według danych brytyjskiego Met Office, powietrze wokół kanału piorunowego może osiągać temperaturę pięć razy wyższą niż powierzchnia Słońca, a pojedyncze uderzenie potrafi rozgrzać powietrze do ekstremalnych wartości i wyzwolić gigantyczne siły elektromagnetyczne. Co roku na całym świecie pioruny ranią około 240 tysięcy osób, z czego około 10 proc. przypadków kończy się śmiercią. Straty materialne w samych Stanach Zjednoczonych sięgają miliarda dolarów rocznie.
W Japonii, gdzie firma NTT prowadzi ogromną sieć infrastruktury telekomunikacyjnej narażonej na burze, roczne straty związane z wyładowaniami wynoszą od 700 mln do 1,5 mld dol. Właśnie dlatego zespół badawczy tej firmy postanowił znaleźć nowe rozwiązanie – nie na ziemi, ale w powietrzu.
Dron jak piorunochron – to już nie fikcja
Projekt japońskich inżynierów jest spektakularny i futurystyczny. Prototyp drona przypomina nieco masywną maszynę transportową, oplecioną metalową klatką Faradaya. To właśnie ta klatka, wykonana z przewodzącego materiału, chroni wnętrze urządzenia, przekierowując wokół niego prąd z wyładowania.
Czytaj też: Naukowa bzdura czy przysłowie mówi prawdę? Piorun nie uderza dwa razy w to samo miejsce
Do drona przymocowano przewód uziemiający o długości ponad 300 m, zakończony specjalnym wyłącznikiem wysokiego napięcia. Na szczycie konstrukcji umieszczono zestaw anten przypominających kolce, które zwiększają prawdopodobieństwo przyciągnięcia wyładowania i zapewniają jego właściwe ukierunkowanie w dół, do ziemi.
Podczas kluczowego testu, przeprowadzonego w grudniu 2024 roku, zespół czekał na idealne warunki burzowe. Gdy pomiar natężenia pola elektrycznego na ziemi wskazywał na wysokie prawdopodobieństwo wyładowania, dron został wyniesiony na wysokość 300 m. Początkowo przewód uziemiający pozostawał odłączony, pozwalając na zgromadzenie znacznej różnicy potencjałów między dronem a ziemią.
Decydujący moment nadszedł, gdy wyłącznik wysokiego napięcia został zamknięty. Wówczas w układzie pojawiło się napięcie ponad 2000 V, co wywołało silne zmiany pola elektrycznego wokół maszyny. Kilka sekund później z chmur runął piorun – trafiając wprost w drona, a następnie spływając przewodem do ziemi.
Eksperyment zakończył się sukcesem. Chociaż klatka Faradaya częściowo się stopiła, dron pozostał stabilny w powietrzu. Na ziemi zaobserwowano charakterystyczne niebieskie błyski oraz trzaski dochodzące z wyciągarki przewodu uziemiającego. Dron nie tylko przetrwał uderzenie, ale skutecznie spełnił funkcję latającego piorunochronu.
Po pierwszym sukcesie zespół NTT stawia sobie kolejne, jeszcze ambitniejsze wyzwanie: przechwycenie i magazynowanie energii piorunów. Perspektywa przekształcenia wyładowań atmosferycznych w użyteczną energię elektryczną brzmi kusząco, ale realizacja takiego planu jest ogromnym wyzwaniem technicznym.
Problemem jest przede wszystkim skala i gwałtowność zjawiska. Standardowe szybkie ładowarki samochodowe dostarczają energię w tempie kilkudziesięciu kilowatów na godzinę, natomiast piorun w ciągu jednej sekundy potrafi zrzucić na ziemię setki razy więcej energii. Żadne znane obecnie ogniwa litowo-jonowe nie są w stanie przyjąć takiego impulsu – doszłoby do ich eksplozji. Teoretycznie, bardziej odporną opcją są banki ultrakondensatorów, które lepiej radzą sobie z ekstremalnymi impulsami, ale są ciężkie, nieporęczne i potrzebują ogromnych przestrzeni – co wykluczałoby ich zastosowanie w mobilnych systemach ochrony.
Bezpieczne przechwycenie wyładowania i jego późniejsze wykorzystanie wymagałoby stworzenia gigantycznego układu buforowego, który mógłby “rozbroić” energię pioruna i powoli przekazywać ją dalej – do magazynów energii lub do sieci energetycznej. Co więcej, same linie przesyłowe nie są przygotowane na przyjmowanie impulsów o mocy 100 milionów V i prądzie 30 tysięcy A. W najlepszym wypadku doszłoby do poważnych uszkodzeń transformatorów, w najgorszym – do spektakularnych eksplozji i pożarów.
Mimo tych ograniczeń, projekt NTT może znaleźć realne, praktyczne zastosowanie. Drony pełniące funkcję przenośnych piorunochronów mogą skutecznie chronić miejsca trudno dostępne lub tymczasowe, takie jak farmy wiatrowe, otwarte stadiony, linie wysokiego napięcia czy strefy budowy.
W przyszłości naukowcy rozważają także tworzenie całych rojów takich dronów, współpracujących ze sobą w powietrzu, aby jeszcze skuteczniej przyciągać i kierować wyładowania atmosferyczne. Taka flota latających piorunochronów mogłaby stanowić elastyczną i adaptacyjną barierę ochronną w obliczu coraz bardziej gwałtownych zjawisk pogodowych.