Лазерная абляция астероидов - Asteroid laser ablation

Лазерная абляция астероидов это предлагаемый метод для отклоняющиеся астероиды, предполагающий использование лазер массив для изменения орбиты астероид. Лазерная абляция работает, нагревая вещество, достаточное для выхода газообразного материала, либо через сублимация (от твердого до газа) или испарение (жидкость в газ). Для большинства астероидов этот процесс происходит между температурами в диапазоне 2700–3000 К (2430–2730 ° C; 4 400–4 940 ° F). Выбрасываемый материал создает толкать, что в течение длительного периода времени может изменить траектория астероида.[1] В качестве доказательства концепции в небольшом масштабе Трэвис Браширс, исследователь из лаборатории экспериментальной космологии Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, возглавляемый доктором Филипом Любином, уже экспериментально подтвердил, что лазерная абляция может вращать и раскручивать астероид.[2] Дальнейшее тестирование и развитие этого метода проводится группами в Калифорнийский университет в Санта-Барбаре,[1] НАСА[3] и Стратклайдский университет.[4]

Необходимость отклонения астероида

Современные люди, или Homo sapiens, существуют около 200 000 лет. Для сравнения: динозавры выжили на Земле более 100 миллионов лет до Астероид Чикскулуб стер их с лица земли. Астероиды по-прежнему могут представлять серьезную угрозу для каждого крупного города на Земле и даже для всего нашего вида.[5]

Челябинский метеор

Февраль 2013 г. Челябинский Метеор взорвался на высоте 30 километров над западом России. Метеор, который весил около 6,8 килотонн (15×10^6 фунтов), по оценкам, двигался со скоростью 18 км / с (40 000 миль в час) и вошел в атмосферу Земли под углом 20 градусов.[6] Взрыв был в 20-30 раз сильнее, чем бомба, сброшенная на Хиросиму; В результате ударная волна разбила окна на земле и ранила около 1500 человек. Из-за относительно малого угла метеора он взорвался высоко в атмосфере Земли. Однако, если бы метеор достиг поверхности Земли или взорвался ниже в атмосфере, результаты могли быть катастрофическими.

Обнаружение

Несмотря на усилия НАСА по обнаружению Около Земли объекты (ОСЗ) Челябинский метеор остался незамеченным. В былые времена, НАСА, в партнерстве с Европейское космическое агентство, увеличивают свои усилия по отслеживанию всех ОСЗ, которые могут пересечь орбиту Земли.[7] На своем веб-сайте НАСА опубликовало список всех известных ОСЗ, которые представляют собой потенциальный риск столкновения.[8] Однако список остается неполным, и вопрос о том, что делать в случае неминуемого удара, остается без ответа.

Политика отклонения

Лазерная абляция - многообещающий метод, потому что он позволяет перенаправить астероид, не разбивая астероид на более мелкие части, каждая из которых может представлять угрозу для Земли. В ядерный ударник - еще один предлагаемый метод отклонения астероидов, но он менее перспективен, чем лазерная абляция, как по политическим, так и по техническим причинам:

  • Взрыв астероида может создать несколько более мелких фрагментов астероида, каждый из которых может быть столь же разрушительным, как и более крупный астероид.[сомнительный – обсуждать]
  • Взрыв атомной бомбы высоко в атмосфере Земли может вызвать непредвиденные последствия.[сомнительный – обсуждать]
  • В Договор о космосе это договор о холодной войне, подписанный в 1967 году, который запрещает оружие[соответствующий? – обсуждать] массового поражения от размещения в космосе. Это эффективно[нужна цитата ] блокирует любую исследовательскую группу от экспериментальной проверки метода ядерного удара.[сомнительный – обсуждать]

Лазерная абляция уже проходит экспериментальные испытания в лабораториях как метод отклонения астероидов, и есть планы начать испытания на Международная космическая станция (МКС), а в низкая околоземная орбита.

Предотвращение столкновения с астероидом

Основная статья: Предотвращение столкновения с астероидом

Лазерная абляция короткого действия используется для проверки и исследования эффективности мощных термический рентген импульс, который был бы испущен при детонации ядерного взрывного устройства, находящегося в стороне от астероида. В 2015 г. были проведены расследования с этой целью путем выявления общих метеорит фрагментов настроенных лазерных импульсов, обеспечиваемых Сандийская национальная лаборатория.[9]

В действии

  1. На целевой астероид фокусируется лазерная матрица.
  2. Лазер нагревает поверхность астероида до чрезвычайно высоких температур: 3000 К (2730 ° C; 4940 ° F).[1]
  3. Материал на поверхности астероида начинает сублимировать (горная порода и / или металл переходят из твердого состояния в газообразное) и вылетает из астероида.
  4. Третий закон Ньютона утверждает, что для любого действия существует равная и противоположная реакция. Когда материал превращается в газ, он отталкивается от астероида, и по третьему закону Ньютона он также отталкивает астероид с равной силой, называемой толкать.
  5. Второй закон Ньютона утверждает, что сила равна массе, умноженной на ускорение, или F = ma. Хотя тяга астероида крошечная по сравнению с массой астероида, по второму закону Ньютона все же будет небольшое ускорение.
  6. Со временем небольшое ускорение астероида значительно изменяет его траектория. Как только астероид больше не движется по направлению к Земле, лазер можно убрать.
  7. На отклонение астероида с помощью лазерной абляции, вероятно, потребуется от 1 до 10 лет, в зависимости от количества факторы.[10]

Предлагаемые системы

Предлагаются два типа предлагаемых систем лазерной абляции астероидов: стоячая и автономная. Основное различие - размер и положение используемой лазерной матрицы.[1][10]

Стоячая система

Стоячая система состоит из небольшой лазерной матрицы, которая направляется к целевому астероиду. Система будет ограничена астероидами малого или среднего размера и потребует обнаружения относительно заранее. В случае угрозы с кратковременным уведомлением резервная система будет неэффективной из-за времени, необходимого для создания и отправки системы к цели. Кроме того, для каждой цели потребуется новая система. В краткосрочной перспективе альтернативная система может стать доступной и осуществимой; однако в долгосрочной перспективе более практична более крупная система, способная отклонять астероиды всех размеров.[1]

Противостояние система

Противостоящая система - это большая лазерная установка, которая будет вращаться вокруг Земли или, возможно, Луны. Это будет примерно от размера МКС до примерно в 10 раз больше. Система сможет отклонять даже самые большие астероиды, которые могут достигать сотен километров в поперечнике.[11] а также, в идеале, иметь возможность нацеливаться на несколько астероидов одновременно, если это необходимо. Хотя эта система будет наиболее эффективной против широкого спектра угроз, ее размер и, как следствие, стоимость, делают ее нереалистичным вариантом в ближайшем будущем. Внедрение этого типа системы, вероятно, потребует сотрудничества и взаимодействия нескольких правительств и ведомств.[10]

Важные факторы

Есть много факторов, которые влияют на эффективность системы лазерной абляции астероидов. Исследователи изучали силу лазер,[10] а также форма и состав целевого астероида,[4] как два наиболее важных фактора.

Сила лазера

Более сильный лазер может создать большую тягу к астероиду. Исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре экспериментально смоделировали время, необходимое для перенаправления астероида среднего размера с помощью лазеров разной мощности. Для самых сильных испытанных лазеров гипотетически может потребоваться менее года, чтобы перенаправить астероид на безопасное расстояние от Земли, а для самых слабых лазеров может потребоваться до 10 лет.[10]

  • Преимущество слабого лазера состоит в том, что он требует меньше энергии для питания и, как следствие, стоит меньше, чем лазер с большей мощностью.
  • Преимущество сильного лазера в том, что он не зависит от нашей способности предсказывать удары на годы вперед. Астероиды трудно отследить, а столкновения еще труднее предсказать; сильный лазер обеспечивает лучшую защиту.

Выбор оптимальной мощности лазера - это вопрос баланса между стоимостью, потреблением энергии и желаемым уровнем защиты.

Источник питания

Обычно такие системы требуют значительного количества энергии. Для космических систем для этого может потребоваться либо какая-то ядерная энергия, либо энергия от Космическая солнечная энергия спутник. Многие сторонники Космическая солнечная энергия представьте себе, что одно из преимуществ такой инфраструктуры включает в себя возможность отклонять астероиды, а кометы изменять свою траекторию для эксплуатации с помощью добыча астероидов, а также для лазерный парус основан межзвездное движение.

Состав астероида

Астероиды сильно различаются по своему составу и форме. Состав астероида может варьироваться от полностью металлического до полностью каменистого, до смеси горных пород и металлов.[11] Следует учитывать состав, так как каждый материал ведет себя по-разному при абляции. Первоначальные испытания в Стратклайдском университете показали, что лазерная абляция может быть более эффективной на плотных металлических астероидах из-за формы выбрасываемого материала.[4]

Форма астероида

При моделировании астероиды предполагались сферическими; однако в действительности большинство астероидов имеют неправильную форму. Одним из следующих шагов в исследовании лазерной абляции является моделирование того, как тяга может повлиять на траекторию астероидов неправильной формы.

Рекомендации

  1. ^ а б c d е Любин, Филипп (апрель 2015 г.). «Эффективная планетарная защита с использованием направленной энергии» (PDF). 4-я конференция IAA по планетарной защите.
  2. ^ UCSB Experimental Cosmology Group (2015-07-31), Раскручивающийся и раскручивающийся дискообразный астероид, получено 2016-01-29
  3. ^ Кэмпбелл, Джонатан В .; Фиппс, Клод; Смолли, Ларри; Рейли, Джеймс; Боччо, Дона (14 мая 2003 г.). «Импульс воздействия: лазерная абляция для отражения астероидов, метеороидов и комет от столкновения с Землей». Материалы конференции AIP. Издательство AIP. 664: 509–522. Дои:10.1063/1.1582138. HDL:2060/20020092012.
  4. ^ а б c Гиббингс, Элисон (9 мая 2011 г.). «Об испытании процессов лазерной абляции на отклонение астероидов». Конференция IAA по планетарной защите, 2011 г.. Получено 4 февраля, 2016.
  5. ^ «Как (и почему) SpaceX колонизирует Марс - подождите, но почему». waitbutwhy.com. Получено 2016-02-07.
  6. ^ Каплан, Карен (27 марта 2013 г.). «Русский метеор,« смертельная скала из космоса », звезды на« Новой »'". Лос-Анджелес Таймс. ISSN  0458-3035. Получено 2016-02-01.
  7. ^ «Управление НАСА по координации обнаружения астероидов и смягчения их последствий». НАСА / Лаборатория реактивного движения. 7 января 2016 г.. Получено 2016-02-01.
  8. ^ «Риски текущего воздействия». neo.jpl.nasa.gov. Архивировано из оригинал 31 декабря 2014 г.. Получено 2016-02-01.
  9. ^ Надис, Стив (21 января 2015 г.). «Как остановить астероид-убийцу». Откройте для себя журнал.
  10. ^ а б c d е Любин, Филипп (август 2013). "Направленная энергетическая планетарная защита" (PDF). SPIE Optics + Photonics, Сан-Диего. Получено 6 февраля, 2016.
  11. ^ а б «Астероиды - факты и информация об астероидах». Space.com. Получено 2016-02-07.