Звездные войны: российские физики научились «побеждать» астероиды

Группа ученых из МФТИ, Института космических исследований и двух институтов госкорпорации «Росатом» — Российского федерального ядерного центра ВНИИЭФ и Троицкого института инновационных и термоядерных исследований провела расчет и лазерное моделирование разрушительного воздействия ядерных взрывов на опасные астероиды. Разработанная методика 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 — космические тела, состоящие из углерода, кремния, металла или льда. Диаметр таких объектов колеблется от 30 метров до уничтожающих все живое 900 километров, средняя скорость движения — 20 километров в секунду. Столкновение с астероидами представляет одну из самых больших опасностей для нашей планеты.

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. Ученые показали, что короткое лазерное воздействие на миниатюрную копию астероида сопоставимо с ядерным взрывом на реальном объекте по ключевым процессам вызывающим его разрушение. В эксперименте ученые получили схожие графики распределения температуры и давления процессов.

Для корректного моделирования физики создавали миниатюрный макет с плотностью и прочностными характеристиками астероида, повторяли его геометрическую форму, 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 “Царь-бомба”, созданная в СССР в 61 году. Полная энергия ее взрыва, по разным данным, составляла 58,6 Мт в тротиловом эквиваленте.

Исследователи разработали технологию изготовления искусственного вещества каменных (хондритовых) астероидов с заданными свойствами — это наиболее распространенный тип астероидов (более 90%). Учитывался 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 ученые провели газодинамические расчеты. 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 разлета 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 метров и при прохождении атмосферы раздробился на мелкие фрагменты, не нанесшие катастрофического урона. Таким образом, для исходного размера астероида в 200 метров 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 близка к траектории челябинского астероида.

Также ученые пытались ответить на вопрос: может ли эффект разрушения «накапливаться», то есть 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 заглубленного взрыва.

С учетом масштабного фактора и результатов лабораторных экспериментов исследователи показали возможность заведомого разрушения ядерным взрывом с энергией свыше трех мегатонн опасного для Земли астероида хондритного типа диаметром 200 метров. Ученые 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 вовлеченность в процесс», — делится космическими планами один из авторов исследования, доцент кафедры прикладной физики и кафедры лазерных систем и структурированных материалов МФТИ Владимир Юфа.