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