Группа учёных провела расчёт и лазерное моделирование разрушительного воздействия ядерных взрывов на опасные астероиды.
Разработанная методика учёными из МФТИ, Института космических исследований РАН и двух институтов госкорпорации «Росатом» — Российского федерального ядерного центра ВНИИЭФ и Троицкого института инновационных и термоядерных исследований - позволяет экспериментально определять критерии разрушения этих угрожающих планете космических тел с помощью лазерного воздействия на их миниатюрные копии. Результаты исследований опубликованы в Журнале экспериментальной и теоретической физики.
Астероиды — относительно небольшие небесные тела Солнечной системы, движущиеся по орбите вокруг Солнца. Они состоят из углерода, кремния, металла или льда. Диаметр таких объектов колеблется от 30 метров до уничтожающих всё живое 900 километров, средняя скорость движения — 20 километров в секунду. В настоящий момент в Солнечной системе обнаружены сотни тысяч астероидов. Столкновение с астероидами представляет одну из самых больших опасностей для нашей планеты.
Несмотря на то, что Земля значительно больше всех известных астероидов, столкновение с телом размером более 3 км может привести к уничтожению цивилизации. Столкновение с телом меньшего размера (но более 50 метров в диаметре) может привести к многочисленным жертвам и гигантскому экономическому ущербу.
Существует два подхода для решения вопроса защиты Земли: изменение траектории движения астероидов или разрушение их на мелкие осколки, большая часть которых не столкнется с Землей. Авторы статьи работали над вторым способом — моделированием воздействия на астероид мощной ударной волны от ядерного взрыва на его поверхности. Учёные показали, что короткое лазерное воздействие на миниатюрную копию астероида сопоставимо с ядерным взрывом на реальном объекте по ключевым процессам, вызывающим его разрушение. В эксперименте учёные получили схожие графики распределения температуры и давления процессов.
Разрушение на мелкие осколки потенциально опасного астероида. Иллюстрация: МФТИ, дизайнер Елена Хавина.
Для корректного моделирования физики создавали миниатюрный макет с плотностью и прочностными характеристиками астероида, повторяли его геометрическую форму, а также обеспечивали равенство характерных давлений в начале ударно-волновой стадии процесса. Это равенство с точностью до коэффициента соответствует равенству отношения энергии ядерного взрыва к массе астероида и отношения энергии лазерного импульса к массе мини-макета. Например, для астероида диаметром 200 метров и необходимой для разрушения энергией 6 мегатонн аналогом служила копия диаметром 8–10 миллиметров и разрушающим лазерным импульсом в 500 Дж.
Кстати, самым мощным взрывным устройством за всю историю человечества была термоядерная авиационная бомба «Царь-бомба», разработанная в СССР в 1954—1961 гг. группой физиков-ядерщиков под руководством академика Академии наук СССР И. В. Курчатова. Полная энергия ее взрыва, по разным данным, составляла от 57 до 58,6 мегатонн в тротиловом эквиваленте или около 2,4 х 1017 Дж. Самое мощное взрывное устройство за всю историю человечества.
Исследователи разработали технологию изготовления искусственного вещества каменных (хондритовых) астероидов с заданными свойствами — это наиболее распространенный тип астероидов (более 90%). Учитывались химический состав, плотность, пористость, прочность. В основу создания мини-макетов легли данные анализа структуры вещества каменного астероида, упавшего на Землю пять лет назад, в феврале 2013 года, рядом с населенным пунктом Чебаркуль, — хондрита. При создании астероидного вещества использовалась комбинация процессов осаждения, сжатия и нагрева: имитация естественных процессов его образования в природе. Из цилиндрических образцов искусственного астероидного вещества были изготовлены образцы разных форм: шаровидные, эллипсоидные, кубические и т. д.
Для подтверждения соответствия лазерных экспериментов действительности учёные провели газодинамические расчёты. Было показано, что при разнице в массе между реальным астероидом и его лабораторным аналогом в 14–15 порядков удельная энергия, необходимая для полного разрушения астероида, почти в два раза меньше, чем удельная энергия, необходимая для подобного разрушения мини-макета.
Исследования проводились на лазерных установках «ИСКРА-5», «ЛУЧ» и «САТУРН». Лазерное излучение сначала усиливалось до нужной мощности, а затем направлялось на закрепленный в экспериментальной вакуумной камере взаимодействия мини-макет. В эксперименте обеспечивалась возможность боковой и тыльной диагностики разрушения и регистрации разлёта осколков макета астероида. Среднее время лазерного воздействия на макет — от 0,5 до 30 наносекунд.
Для оценки критерия заведомого разрушения был принят во внимание процесс падения челябинского астероида. Он имел начальный размер около 20 м и при прохождении атмосферы раздробился на мелкие фрагменты, не нанёсшие катастрофического урона. Таким образом, для исходного размера астероида в 200 м можно говорить о его заведомом разрушении при дроблении на осколки, имеющие линейный размер в 10 раз и массу в 1000 раз меньше исходных. Очевидно, что данная оценка справедлива, если угол вхождения астероида в атмосферу Земли и траектория движения его осколков в атмосфере близки к траектории челябинского астероида.
Также учёные пытались ответить на вопрос: может ли эффект разрушения «накапливаться», можно ли заменить один сильный взрыв несколькими последовательно запущенными, но с меньшей мощностью? Было обнаружено, что с точки зрения общего критерия разрушения несколько более слабых импульсов (как одновременных, так и последовательных) не дают заметного преимущества по сравнению с однократным импульсом суммарной мощности.
В нескольких экспериментах лазерное излучение вводилось в углубление, предварительно подготовленное в мини-макете. Для разрушения макетов при таких условиях необходимо меньшее количество удельной энергии (500 Дж/г вместо 650 Дж/г), что связано с большей эффективностью воздействия заглублённого взрыва.
С учётом масштабного фактора и результатов лабораторных экспериментов исследователи показали возможность заведомого разрушения ядерным взрывом с энергией свыше 3 мегатонн опасного для Земли астероида хондритного типа диаметром 200 м. Учёные планируют продолжить исследования с мини-макетами различной прочности и состава, в том числе с макетами каменно-ледяных и железоникелевых астероидов, а также работы по уточнению влияния формы макетов и наличия углублений на критерий заведомого разрушения.
«Наша база коэффициентов и зависимостей для разного типа астероидов позволит оперативно смоделировать взрыв и найти критерии разрушения. Пока явной опасности нет, и у нашей команды есть время доработать методику спасения нашей планеты от катастрофы. Параллельно работаем над моделированием отклонения астероида без его разрушения и надеемся на международную вовлечённость в процесс», — делится космическими планами один из авторов исследования, доцент кафедры прикладной физики и кафедры лазерных систем и структурированных материалов МФТИ Владимир Юфа.
Источник: mipt.ru
