Pokroky v oblasti hromosvodní ochrany

Pokroky v oblasti hromosvodní ochrany

Ing. Zdeněk Rous, CSc.

Cílené spouštění bleskových výbojů a jejich zachycení – utopie, nebo skutečnost?

Téměř každý člověk, jenž je alespoň trochu orientovaný na snění a vymýšlení světa podle svých přání, si položí otázku: Když blesky uvolňují tak obrovskou energii, nebylo by možné ji uvolnit kontrolovaně a využít pro řešení energetických krizí? Kromě toho by se velmi účelně vyřešila otázka ochrany osob, objektů a zařízení před ničivými údery blesku. Čechům je tento způsob myšlení jistě blízký – vždyť už před 250 lety se v Příměticích u Znojma o vyřešení ochrany pokoušel Prokop Diviš svým „strojem na odvracení bouří„. Nakonec ovšem zvítězila daleko pragmatičtější myšlenka amerického vědce Benjamina Franklina, jehož řešení s využitím jímačů, svodů a uzemnění se prosadilo tak, že dodnes je uznávaným systémem ochrany před bleskem.

Energie obsažená v bleskovém výboji

Přírodní jev „blesk„ je opravdu impozantní. Jeho světelné a zvukové projevy vzbuzují dojem, že je v něm obsažena nesmírně silná energie. Nelze však zapomenout na skutečnost, že efekty jsou tak mohutné proto, že energie se vybíjí ve velmi krátké době (desetiny až jednotky milisekund). Přední odborník v ochraně před bleskem dr. Peter Hasse uvádí [1], že energii obsaženou v blesku je možné přirovnat k energii, kterou lze získat spálením deseti litrů topného oleje. Při předpokladu průměrného počtu úderů blesku na 1 km² povrchu země mezi třemi až pěti za rok je zřejmé, že ani „posbírání“ blesků z plochy 10 km² dnes nemůže pokrýt náklady vhodného zařízení a jeho provozu. Ale ve vzdálenější budoucnosti – kdo ví?

Umělé spouštění bleskových výbojů

V dávné minulosti uskutečnil Benjamin Franklin pokusy s drakem (roku 1752) a Giacomo Battista Beccaria překvapivě pokusy s tenkými dráty vynášenými do výšky raketami (Turín, 1753), zaměřené na prokázání elektrické podstaty bouřkové činnosti. Na tyto pokusy vědci navázali až v roce 1966, kdy se ve větší míře a na více místech světa začali pokoušet o umělé spouštění blesků (USA, Německo, Japonsko, Francie).

Spouštění pomocí vystřelených vodičů

Při této metodě se s pomocí rakety vystřelí tenký drát délky až několik set metrů do bouřkového mraku. Tím, že se uvedený drát při odvádění proudu z nabitého mraku vypaří, vytvoří vodivý kanál vhodný pro odvádění náboje z mraků do země. Jím pak protékají bleskové proudy ze země do mraků. Oproti bleskovým výbojům vzniklým v přírodě bez přispění lidí se však spouštěné výboje poněkud liší. Je to metoda určená pro vědecký výzkum blesku a jeho účinků, avšak pro své vedlejší jevy, jakými jsou např. padající zbytky drátů, popř. nebezpečí padající rakety k zemi, není vhodná pro potřeby ochrany před bleskem v praxi.

Na své dovolené začátkem devadesátých let minulého století navštívil autor tohoto příspěvku zařízení pro spouštění blesků ve francouzském středohoří (Massif Central) v Saint Privat d´Alier. Přestože se tenkrát blížily bouřky (zjištěné systémem zaměřování bleskových výbojů), nenastaly ani v jednom případě podmínky, které by opravňovaly k vystřelení spouštěcí rakety. I kdyby takovéto okolnosti nastaly, byla by pravděpodobnost spuštění výboje přibližně 50%. Nicméně k nahlédnutí byly fotografické záznamy a registrované elektrické parametry dvou spuštěných výbojů. Studovaným problémem přitom bylo indukované přepětí v mobilním komunikačním prostředku (skříňové nákladní auto). Vzhledem k tradiční francouzské schopnosti „kouzlit„ (v dobrém slova smyslu) pomocí matematických metod lze vypočítat i odlišné průběhy bleskového proudu a z nich odvodit průběh veličin i pro parametry „přirozeného„ blesku.

Spouštění pomocí laserových paprsků

Myšlenka zabývat se zmíněnou metodou vznikla již v sedmdesátých letech minulého století. Laboratorní pokusy v mnoha zemích (např. v USA, Japonsku, bývalém SSSR) ukázaly, že průrazné napětí jiskřišť lze podstatně snížit a dráhu výboje napřímit. Pokusy s vysokovýkonnými infračervenými lasery ukázaly, že podél paprsku vznikají vysoce ionizované hustě seřazené „plazmové perly„, které však brání šíření paprsku. Tento „perličkový„ plazmový kanál pravděpodobně není schopen ovlivnit elektrické pole natolik, aby dokázalo spustit blesk. Pokusy konané v Japonsku s kovovou věží výšky 50 m, která je postavena na kopci o výšce 200 m, o vyvolání dráhy pro vůdčí výboj v mraku do vrcholu věže (obr. 1) však nepřinesly žádoucí výsledek. Nynější lasery dokážou „vyrobit„ počáteční vodivosti kanálů plazmy řádově 10^–7 S/m. Tato hodnota leží o tři až čtyři řády pod vodivostí 1 až 10 S/m, která je podle teoretických rozborů nezbytná pro umožnění přechodu z kanálu plazmy na tepelně ionizovaný vůdčí kanál (lídr) během 1 µs.

Současný stav znalostí je takový, že bez použití vícenásobných laserových paprsků není možné umělé spuštění blesku. Ani pokusy s ultrafialovými lasery nevedly k žádoucímu cíli. Další pokusy sice byly nadějnější, ale v žádném případě neposkytovaly jasnou výpověď o tom, zda se blesky vyvolávané laserem skutečně podaří realizovat. Přes dosud nejednoznačné výsledky v této oblasti výzkumu však lze považovat uvedenou cestu za nadějnou, a proto se ve výzkumech ve více zemích pokračuje (obr. 2).

Spouštění mikrovlnovým zářením a paprsky plamene

V roce 1996 navrhli japonští badatelé využít k výrobě plazmového paprsku mikrovlnný paprsek s vysokým energetickým obsahem. Jeho předností oproti laserovým paprskům měl být nižší útlum paprsku za deště a sněžení. Další aktivity v tomto směru nejsou známy.

Jiný pokus vedoucí ke spouštění blesku se uskutečnil v roce 1996 rovněž v Japonsku, a to s vysoce ionizovaným tranzientním plamenem. Na věži výšky 50 m byl za podmínek příznivých pro vznik bouřky vytvořen pomocí raketového motoru přechodný paprsek plamene délky 10 m a šířící se rychlostí 1 000 m/s. Blesk se však nepodařilo spustit.

Vodní paprsek jako spoušť (trigger)

V roce 1960 bylo pozorováno, že blesk udeřil do „fontány„ s mořskou vodou, která byla vyvolána podvodní explozí. Tento jev zkoumali opět japonští vědci. Odhadovalo se, že vodní sloup pro vyvolání úderu blesku by měl dosahovat výšky nejméně 100 m. Přestože uvedené podmínky jsou dost tvrdé, nechala si americká firma Bolt Blocher ze San Diega patentovat vodní dělo, které však musí být ještě vyvinuto a vyzkoušeno. Uvažuje se instalovat je na sportovních stadionech, přičemž tryskající proudy vody budou vyvolávány krátkodobě a periodicky.

Všechny doposud popsané systémy nebudou v dohledné době v praxi ekonomicky využitelné.

ESE – aktivní „bleskosvody„

Pravidelně každý rok – při příležitosti mezinárodní konference o ochraně před bleskem (ICLP) i zasedání technického výboru TC 81 IEC – se snaží výrobci ESE prosadit svá řešení na trhy i do norem (zatím bez úspěchu asi sedmnáct let).

ESE je zkratka anglického termínu Early Streamer Emission a v českém překladu znamená „rychlé vyslání vstřícného výboje„. Myšlenky na toto téma byly v časopise ELEKTRO již dvakrát probrány [2], [3]. Současné stanovisko odborníků k těmto „bleskosvodům„ je možné zhruba shrnout do těchto bodů:

• V žádném případě nejde o „stoprocentní“ nebo „dokonalou ochranu„, jak tvrdí někteří tzv. experti [4].

• Jde stále o kontroverzní téma. V časopise ELEKTRO byly uveřejněny některé informace o výzkumu v Malajsii [5].

• Bylo konstatováno, že objektivní diskuse o účinnosti jímačů ESE je ztížena prosazováním obchodních zájmů výrobců. Jelikož tyto produkty musejí výrobci přinést zisk, prodávají se (a částečně prosazují i do norem), aniž by byly přijaty vědeckou obcí a byl předložen akceptovatelný důkaz o jejich účinnosti [6].

• Podle názorů odborníků nepředstavuje ESE podstatné zlepšení oproti dosavadním systémům ochrany. Zavedení do norem mělo být podpořeno novými modely mechanismu bleskových výbojů CVM (Colection Volume Method) a FIM (Field Intensifikation Method) Na konferenci ICLP bylo ve více příspěvcích poukázáno na to, že předkládané modely neodpovídají ani výsledkům měření, ani pozorování v oblasti vzniku bleskových proudů. Vědecky únosný podklad pro zařízení ESE nebyl dosud předložen..

Poznámka autora:
Prodejci těchto zařízení v České republice v dokumentaci často uvádějí, že jimi nabízená zařízení jsou v souladu s ČSN 34 1390. Pouze snad jako stavební prvek. Nikde ve zmíněné normě nelze najít tvrzení, že pro tato zařízení je konstruován ochranný prostor podle pokynů výrobce. Znamenalo by to (jak bylo rovněž kdysi konstatováno v normě IEC 1024-1), že tato zařízení představují – stejně jako pasivní „Franklinovy„ tyčové jímače – konstrukci ochranného prostoru bez uvažování fiktivní přídavné výšky. Na to se vstřícný výboj z nich vzešlý nepovažuje za dostatečně spojitý a stabilní.