Физики против астероидов: важные задачи, занимательные опыты

Группа российских учёных провела расчёт и моделирование разрушительного воздействия ядерных взрывов на опасные астероиды.

Результаты исследований опубликованы в Журнале экспериментальной и теоретической физики.
Астероиды могут быть как сравнительно небольшими, так и огромными. Столкновение с крупным космическим телом несомненно грозит катастрофой если не для всей жизни на планете, то для человеческой цивилизации и устоявшихся экосистем — без сомнения.

Защитить Землю можно несколькими способами. Например, изменением траектории движения подлетающего астероида.

Авторы статьи работали над моделированием воздействия на астероид мощной ударной волны от ядерного взрыва на его поверхности. Предполагается, что таким образом опасный объект можно разрушить настолько, что части его не принесут вреда, сгорев в атмосфере или изменив орбиту.


Как надо поступать с опасными астероидами, летящими к Земле. Иллюстрация пресс-службы МФТИ.

Исследователи полагают, что короткое лазерное воздействие на миниатюрную копию астероида сопоставимо с ядерным взрывом на реальном объекте (по ключевым процессам, вызывающим его разрушение). В эксперименте получены схожие графики распределения температуры и давления процессов.

Для корректного моделирования физики создавали миниатюрные макеты с плотностью и прочностными характеристиками астероида, повторяли его типичную 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 аналог — копия диаметром 8—10 миллиметров и разрушающим лазерным импульсом в 500 Дж.

Для проведения эксперимента разработана технология изготовления искусственного вещества наиболее распространённых (более 90%) астероидов — каменных (хондритовых).

Учитывались химический состав, плотность, пористость и прочность. В основу создания мини-макетов легли данные анализа структуры вещества каменного астероида, упавшего на Землю пять лет назад рядом с населённым пунктом Чебаркуль. 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.

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.

Лазерное излучение сначала усиливалось до нужной мощности, а затем направлялось на закреплённый 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.


Челябинский метеорит

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: будет ли эффект разрушения «накапливаться» и можно ли заменить один сильный взрыв несколькими последовательно запущенными менее мощными взрывами? Оказалось, что 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.

Коллектив авторов, представляющих МФТИ, Институт космических исследований РАН и два института госкорпорации «Росатом» — Российского федерального ядерного центра ВНИИЭФ и Троицкого института инновационных и термоядерных исследований, планирует продолжить исследования с мини-макетами различной прочности и состава. В том числе с макетами каменно-ледяных и железоникелевых астероидов. Данные о влиянии формы макетов и наличия углублений на критерий заведомого разрушения будут уточнены.

«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 планами один из авторов исследования, доцент кафедры прикладной физики и кафедры лазерных систем и структурированных материалов МФТИ Владимир Юфа.

Подготовка материала — Сергей Сыров