A Halálcsillag óriási fegyver, akkora, mint egy jó hold. Alteraan védtelen bolygóján, Leia hercegnő hazájában, a Halálcsillag teljesen lerombolja azt. A bolygó eltűnik egy titán robbanás lángjában, és szétszórja a törmeléket a Naprendszerben. Milliárd lélek egyszerre sikoltozik kínjában, ami felháborodást vált ki az Erőben, amely a galaxis bármely részén érezhető.
De vajon valóban lehetséges-e olyan fegyver, mint a Csillagok háborúja filmjének Halálcsillaga? Szervezhető és irányítható egy lézerágyú-elem, hogy ennek eredményeként egy egész bolygó elpárologjon? Mi a helyzet azzal a híres fénykarddal, amelyet Luke Skywalker és Darth Vader lengett, amelyek egy fénysugár, de könnyen át tudják vágni a páncélozott acélt? A sugárfegyverek, akárcsak a Star Trek fázisai, megfelelő fegyverré válnak a bűnüldözés és a katonák jövő generációi számára?
Az új, eredeti és elképesztő Csillagok háborúja speciális effektusok nézők milliói számára vonzó benyomást keltettek, a kritikusok azonban más véleményen voltak. Néhányan azzal érveltek, hogy igen, természetesen a filmkészítők őszintén megpróbálták szórakoztatni a nézőt, de valójában az ilyen dolgok teljesen lehetetlenek. A kritikusok soha nem unják meg az ismétlést, mint egy varázsigét: a Hold méretű sugárágyúk, amelyek képesek egy egész bolygót apró darabokra fújni, valami hallatlan; a hirtelen megszilárduló fénysugár kardjai szintén lehetetlenek. Mindez még egy távoli, távoli galaxis számára is túl sok. Ezúttal George Lucas, a speciális effektusok elismert mestere csúszott meg egy kicsit.
Lehet, hogy nehéz elhinni, de korlátlan mennyiségű energiát lehet „betömni” egy fénysugárba; nincsenek fizikai korlátok. Halálcsillag vagy fénykard létrehozása nem mond ellent a fizika törvényeinek. Sőt, a bolygót felrobbantani képes gammasugárnyalábok valóban léteznek a természetben. A gamma-sugárzás távoli titokzatos forrása által keltett titáni sugárzás robbanást képes előidézni a mély űrben, második hatalom után maga az ősrobbanás. Bármely bolygó, amelynek sikerül egy ilyen "fegyver" látókörébe kerülnie, valójában megsül vagy darabokra szakad.
Sugárfegyverek a történelemben
A sugárzási energia hasznosításának álma egyáltalán nem új keletű; gyökerei az ősi vallásba és a mitológiába nyúlnak vissza. A görög Zeusz isten arról híres, hogy villámlással lő halandóakat. Thor északi isten egy varázskalapácsot, Mjellnir-t mozgatott, amely képes villámokat dobni, Indra hindu isten pedig egy varázslándzsából lőtt energiasugarat.
A sugár, mint valódi gyakorlati fegyver ötlete először Archimedes nagy görög matematikus, az ókor talán legnagyobb tudósának munkáiban jelent meg, akinek kétezer évvel Newton és Leibniz előtt sikerült kidolgoznia a primitív differenciálszámítás saját verzióját. Úgy gondolják, hogy a Kr. E. 214-es legendás csatában. A második pun háború idején Marcellus római tábornok csapatai ellen Archimédész, a szirakúza királyság védelmében segítve, nagy elemet épített a napelemekből, a napsugarakat az ellenséges hajók vitorlájára összpontosította, és így felgyújtotta őket. (A tudósok még mindig vitatják, hogy egy ilyen sugárfegyver valóban működhet-e; több tudóscsoport megpróbálta változó eredménnyel megismételni ezt az eredményt.)
Promóciós videó:
A sugárfegyverek 1889-ben kerültek a tudományos-fantasztikus oldalakra HG Wells klasszikus világháborújával. Ebben a regényben a Marsról érkező idegenek egész városokat pusztítottak el azáltal, hogy az állványra szerelt ágyúkból származó hőenergia-nyalábokat irányították hozzájuk. A második világháború alatt a nácik, akik mindig készek a legújabb technológiai fejlődés kutatására és átvételére a világ meghódítására, különféle sugárfegyverekkel is kísérleteztek, köztük akusztikus eszközökkel, amelyek parabolikus tükrök segítségével erős hangsugarakat fókuszáltak.
A fókuszált fénysugár a fegyver megragadta a közönség fantáziáját a James Bond Goldfinger című film megjelenése után; ez volt az első hollywoodi film, amelyben lézer szerepelt. (Ebben a legendás brit kém egy fém asztalhoz volt kötve, és egy erős lézersugár lassan közeledett felé, fokozatosan megolvasztva az asztalt a lábai között, és azzal fenyegetőzött, hogy kettévágja a hősöt.)
Kezdetben a fizikusok csak nevettek a sugárfegyverek gondolatán, amelyet Wells regénye fogalmazott meg, mert az ilyen fegyverek megsértették az optika ismert törvényeit. Maxwell egyenletei szerint a fény, amelyet körülöttünk látunk, nem koherens (vagyis különböző frekvenciájú és fázisú hullámok kavarása), és gyorsan eloszlik. Valaha azt hitték, hogy koherens, fókuszált, egységes fénysugarat - például lézersugarat - lehetetlen elérni.
Kvantumforradalom
A kvantumelmélet megjelenése után minden megváltozott. Már a XX. Század elején. világossá vált, hogy bár Newton törvényei és Maxwell-egyenletei nagyon sikeresen írják le a bolygók mozgását és a fény viselkedését, van egy egész jelenségcsoport, amelyet nem tudnak megmagyarázni. Sajnos nem mondtak semmit arról, hogy az anyagok miért vezetik az elektromosságot, miért olvadnak meg a fémek bizonyos hőmérsékleteken, miért bocsátanak ki fényt melegítéskor a gázok, miért válnak egyes anyagok alacsony hőmérsékleten szupravezetővé. E kérdések bármelyikének megválaszolásához meg kell értenie az atomok belső dinamikáját. A forradalom megérett. A newtoni fizika 250 év uralom után megvárta megdöntését; ugyanakkor a régi bálvány összeomlása állítólag az új fizika szülési fájdalmainak kezdetét jelentette.
1900-ban a németországi Max Planck felvetette, hogy az energia nem folyamatos, ahogy Newton vélekedett, hanem kis, különálló "részek" formájában, kvantumoknak hívják őket. Aztán 1905-ben Einstein feltételezte, hogy a fény is ezekből az apró, különálló csomagokból (vagy kvantumokból) áll, amelyeket később fotonoknak neveznek. Ezzel az egyszerű, de erőteljes ötlettel Einstein meg tudta magyarázni a fotoelektromos hatást, nevezetesen azt, hogy a fémek fénnyel besugárzva miért bocsátanak ki elektronokat. Ma a fotoelektromos effektus és a foton képezi a televízió, a lézerek, a napelemek és a modern elektronika nagy részének alapját. (Einstein fotonelmélete annyira forradalmi volt, hogy eleinte még Max Planck, aki általában buzgón támogatta Einsteint, nem tudott hinni benne. Planck ezt írta Einsteinről: „A tényhogy néha hiányzik … mint például a fénykvanták hipotézisével, nem lehet teljes lelkiismeretével hibáztatni. ")
Aztán 1913-ban Niels Bohr dán fizikus teljesen új képet adott nekünk az atomról; Bohr atomja egy miniatűr naprendszerre hasonlított. De a valós naprendszertől eltérően az atomban lévő elektronok csak a diszkrét pályákon vagy kagylókon belül mozoghatnak a sejtmag körül. Amikor egy elektron "ugrik" az egyik héjról a másikra, amely közelebb van a maghoz és kevesebb energiával rendelkezik, energiafotonot bocsát ki. Ezzel szemben, ha egy elektron egy bizonyos energiával elnyeli a fotont, az magasabbra "ugrik", egy olyan héjhoz, amely távolabb van a magtól és több energiával rendelkezik.
1925-ben, a kvantummechanika megjelenésével és Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg és még sokan mások forradalmi munkájával szinte teljes atomelmélet született. A kvantumelmélet szerint az elektron részecske volt, de társult hulláma is volt, amely mind a részecske, mind a hullám tulajdonságait megadta neki. Ez a hullám engedelmeskedett az úgynevezett Schrödinger-hullámegyenletnek, amely lehetővé tette az atom tulajdonságainak kiszámítását, beleértve a Bohr által feltételezett elektronok összes "ugrását".
1925-ig az atomok titokzatos tárgyak voltak; sokan, mint Ernst Mach filozófus, egyáltalán nem hittek létezésükben. 1925 után az embernek lehetősége volt nemcsak mélyen belenézni az atom dinamikájába, hanem meglehetősen megbízhatóan megjósolni annak tulajdonságait. Meglepő módon ez azt jelentette, hogy egy kellően nagy teljesítményű számítógéppel közvetlenül a kvantumelmélet törvényeiből lehetett levezetni a kémiai elemek tulajdonságait. Ahogy a newtoni fizika egy kellően nagy számítógéppel lehetővé tenné a tudósok számára az univerzum összes égitestének mozgásának kiszámítását, a tudósok szerint a kvantumfizika elvben lehetővé tette az univerzum kémiai elemeinek összes tulajdonságának kivétel nélküli kiszámítását. Ezen túlmenően egy kellően nagy teljesítményű számítógéppel,össze lehetne állítani az emberi lény teljes hullámfüggvényét.
Maszerek és lézerek
1953-ban Charles Townes professzor, a Berkeley-i Kaliforniai Egyetem munkatársaival együtt sikerült megszerezni az első koherens sugárnyalábot, mégpedig a mikrohullámokat. A készüléket maszernek hívták (maszer - a "mikrohullámú erősítés stimulált sugárzás révén", vagyis "a mikrohullámok amplifikálása a sugárzás stimulálásával" kifejezés első betűi után. Később, 1964-ben Townes, Nyikolaj Basov és Alekszandr orosz fizikusokkal együtt Prohorov megkapta a Nobel-díjat. Hamarosan a tudósok eredményeit kiterjesztették a látható fényre is. Megszületett a lézer. (A phaser viszont egy fantasztikus eszköz, amelyet a Star Trek tett híressé.)
A lézer alapja egy speciális közeg, amely valóban továbbítja a lézersugarat; lehet speciális gáz, kristály vagy dióda. Ezután kívülről kell energiát pumpálni ebbe a környezetbe - áram, rádióhullámok, fény vagy kémiai reakció felhasználásával. A váratlan energia beáramlása gerjeszti a közeg atomjait, ezáltal az elektronok elnyelik az energiát és a magasabb energiájú külső héjakra ugranak.
Ilyen gerjesztett állapotban a közeg instabillá válik. Ha ezt követően egy fénysugarat irányítanak át rajta, akkor a sugár fotonjai, az atomokkal ütközve, hirtelen elektrondömpinget okoznak a pályák alacsonyabb szintjén, és további fotonok szabadulnak fel. Ezek a fotonok viszont még több elektront bocsátanak ki fotonokból - és hamarosan megkezdődik az atomok láncreakciója nem izgatott állapotba "összeomlani" azzal, hogy hatalmas mennyiségű fotont - ezek közül billió és billió - szinte egyidejűleg engednek ugyanabba a sugárba. Ennek a folyamatnak az a jellemzője, hogy egyes anyagokban lavinaszerű felszabadulás mellett az összes foton egységesen rezeg, vagyis koherens.
(Képzeljük el, hogy egymás után sorakoznak a dominók. A legalacsonyabb energiájú állapotban mindegyik csülök laposan fekszik az asztalon. Nagy energiájú, felfújt állapotban a csülök függőlegesen áll, akárcsak a közeg felfújt atomjai. Egy csülök megnyomásával mindez energia hirtelen egyidejű felszabadulását okozhatja, akárcsak ugyanaz, mint egy lézersugár születésekor.)
Csak néhány anyag képes lézerben dolgozni; ez azt jelenti, hogy csak speciális anyagokban, amikor egy foton egy gerjesztett atomnak ütközik, egy foton bocsát ki, amely koherens az elsővel. Az anyagnak ez a tulajdonsága ahhoz vezet, hogy a kialakuló áramban lévő összes foton egységesen rezeg, vékony lézersugarat hozva létre. (A közismert legendákkal ellentétben a lézersugár nem mindig marad olyan vékony, mint a legelején. Például a Holdba lőtt lézersugár az út mentén fokozatosan tágul és több kilométer nagyságú foltot ad a Hold felszínén.)
Az egyszerű gázlézer egy hélium és neon keverékével töltött cső. Amikor az elektromosság átjut a csövön, az atomok elnyelik az energiát és izgatottá válnak. Majd ha a gázban tárolt összes energia hirtelen felszabadul, koherens fénysugár születik. Ezt a nyalábot a cső két végére szerelt két tükör erősíti fel, úgy hogy a gerenda viszont visszaverődik tőlük, és egyik oldalról a másikra rohan. Az egyik tükör teljesen átlátszatlan, de a másik a beeső fény kis részét átadja rajta, így a sugár kifelé engedhető.
Manapság a lézerek mindenhol megtalálhatók - az élelmiszerbolt pénztárában, az internethez hozzáférést biztosító száloptikás kábelben, lézernyomtatóban vagy CD-lejátszóban és egy modern számítógépben. A lézereket szemsebészetben, tetováláseltávolításban, sőt szépségszalonokban is használják. 2004-ben világszerte több mint 5,4 milliárd dollárért adták el a lézereket.
A lézerek típusai és jellemzői
Most szinte minden nap új lézereket fedeznek fel; rendszerint egy új anyag felfedezéséről beszélünk, amely képes lézerrel működni, vagy egy új módszer feltalálásáról, amely energiát pumpál a munkaközegbe.
Kérdés, hogy ezek a technológiák alkalmasak-e sugárfegyverek vagy fénykardok készítésére? Tud-e építeni egy elég nagy lézert a Halálcsillag működéséhez? Ma megdöbbentően sokféle lézer létezik, amelyek a munkaközeg anyaga és az energia szivattyúzása szerint osztályozhatók (ez lehet áram, erős fénysugár, sőt kémiai robbanás is). Többféle lézert sorolunk fel.
• Gázlézerek. Ebbe a kategóriába tartoznak a rendkívül elterjedt hélium-neon lézerek is, amelyek nagyon jól ismert vörös fénysugarat hoznak létre. Rádióhullámokkal vagy elektromossággal pumpálják őket. A hélium-neon lézerek alacsony fogyasztásúak. A szén-dioxid gázlézerek azonban robbantási műveletekhez, fémek vágásához és olvasztásához használhatók a nehéziparban; képesek rendkívül erőteljes és teljesen láthatatlan fénysugarat adni;
• Vegyi lézerek. Ezeket az erős lézereket kémiai reakciók töltik fel, például etilén és nitrogén-trifluorid NF3 elégetése. Ezek a lézerek elég erősek ahhoz, hogy katonai területen is felhasználhatók legyenek. Az Egyesült Államokban a vegyi szivattyúzás elvét használják a légi és a földi harci lézerekben, amelyek képesek millió watt nyaláb leadására, és amelyeket rövid hatótávolságú rakéták repülés közbeni lőésére terveztek.
• Excimer lézerek. Ezek a lézerek energiájukat kémiai reakcióból is nyerik, amely általában inert gázt (azaz argont, kriptont vagy xenont) és valamilyen fluoridot vagy kloridot tartalmaz. Ezek ultraibolya fényt bocsátanak ki, és felhasználhatók az elektronikai iparban apró tranzisztorok maratására félvezető chipeken, valamint szemműtéteken finom Lasik műveletekhez.
• Félvezető lézerek. Azok a diódák, amelyeket olyan széles körben használunk mindenféle elektronikus eszközben, nagy teljesítményű lézersugarakat képesek előállítani, amelyeket vágó- és hegesztőiparban használnak. Ugyanezek a félvezető lézerek a pénztárgépekben is működnek, és a kiválasztott termékek vonalkódjait olvassák.
• Festéklézerek. Ezek a lézerek szerves festékeket használnak munkaközegként. Rendkívül hasznosak ultrarövid fényimpulzusok előállításában, amelyek gyakran egy billió másodperc nagyságrendűek.
Lézerek és gerendafegyverek?
Tekintettel a kereskedelmi lézerek óriási változatosságára és a katonai lézerek erejére, nehéz nem csodálkozni azon, hogy miért nincsenek a harctéren használható sugárfegyverek és ágyúk? A tudományos-fantasztikus filmekben általában a sugárfegyverek és a pisztolyok a leggyakoribb és legismertebb fegyverek. Miért nem dolgozunk egy ilyen fegyver létrehozásán?
A kérdésre az a egyszerű válasz, hogy nincs elegendő hordozható áramforrásunk. Ez nem apróság. A sugárfegyverekhez miniatűr elemekre lenne szükség, egy tenyér méretűre, de meg kell egyezniük egy hatalmas erőmű erejével. Jelenleg egy nagy erőmű erejét csak akkor lehet felhasználni, ha megépítjük. És a legkisebb katonai eszköz, amely ilyen energiák tárolóként szolgálhat, egy miniatűr hidrogénbomba, amely sajnos nemcsak a célt, hanem önmagadat is elpusztíthatja.
Van egy második probléma is - a kibocsátó anyag vagy a munkafolyadék stabilitása. Elméletileg nincs korlátozva a lézerbe szivattyúzható energia mennyisége. De a probléma az, hogy a kézi lézerpisztoly munka teste instabil lenne. A kristálylézerek például túlmelegednek és megrepednek, ha túl sok energiát pumpálnak beléjük. Következésképpen egy rendkívül erős lézer létrehozása - amely elpárologhat egy tárgyat vagy semlegesítheti az ellenséget - robbanásszerű energiát igényelhet. Ebben az esetben természetesen már nem lehet gondolni a munkaközeg stabilitására, mert lézerünk eldobható lesz.
A hordozható áramforrások és a stabil sugárzó anyagok kifejlesztésével kapcsolatos problémák a technika jelenlegi állása szerint lehetetlenné teszik a sugárfegyverek meglétét. Sugárfegyvert általában csak akkor hozhat létre, ha kábelt hoz az áramforrásból. Talán a nanotechnológia alkalmazásával valamikor képesek leszünk olyan miniatűr elemeket létrehozni, amelyek olyan energiát képesek tárolni vagy előállítani, amely elegendő ahhoz, hogy erőteljes sorozatokat hozzanak létre - ez a kézi lézerfegyverek szükséges tulajdonsága. Jelenleg, mint már láthattuk, a nanotechnológia gyerekcipőben jár. Igen, a tudósoknak sikerült atomi szinten létrehozniuk néhány eszközt - nagyon ötletes, de teljesen kivitelezhetetlen, például atomi abakuszt vagy gitárt. De könnyen megeshet, hogy mi más ebben, vagy mondjuka következő évszázadban a nanotechnológia valóban miniatűr elemeket ad számunkra, hogy mesés mennyiségű energiát tárolhassunk.
A fénykardoknál ugyanez a probléma. A Csillagok háborúja 1970-es megjelenésével a játék fénykardjai azonnali siker lett a fiúk körében. Sok kritikus kötelességének tartotta kiemelni, hogy a valóságban ilyen eszközök lehetetlenek. Először is, a fény nem szilárdul meg. A fény a fény sebességével mozog, így megszilárdítani lehetetlen. Másodszor, a fénysugarat nem lehet hirtelen levágni az űrben, ahogy a fénykardok teszik a Csillagok háborújában. A fénysugarat nem lehet megállítani, mindig mozgásban van; egy igazi fénykard messzire menne az égre.
Valójában van egyfajta fénykard plazmából vagy túlhevített ionizált gázból. Ha a plazma kellően felmelegszik, akkor a sötétben világít, és egyébként vágott acél is. A plazma fénykard lehet egy vékony teleszkópos cső, amely kinyúlik egy fogantyúból.
Forró plazmát engednek a csőbe a fogantyúból, amely aztán kis lyukakon keresztül távozik a "penge" teljes hosszában. A plazma a penge mentén lévő markolatból emelkedik ki egy hosszú, izzó, túlhevített gázpalackba, amely elég forró ahhoz, hogy megolvassza az acélt. Az ilyen eszközt néha plazma fáklyának hívják.
Így létrehozhatunk egy nagy energiájú eszközt, amely hasonlít egy fénykardra. De itt, csakúgy, mint a sugárfegyvereknél, először is nagy teljesítményű hordozható akkumulátort kell beszereznie. Vagy vagy nanotechnológiával hozzon létre egy miniatűr akkumulátort, amely hatalmas mennyiségű energiával látja el fénykardját, vagy pedig hosszú kábellel csatlakoztatnia kell egy áramforráshoz.
Tehát, bár ma sugárfegyverek és fénykardok valamilyen formában elkészíthetők, a sci-fi filmekben látott kézi fegyverek a technika jelenlegi állása mellett nem lehetségesek. De ebben a században később, vagy talán a következőben az anyagtudomány és a nanotechnológia fejlődése egy vagy másik típusú sugárfegyver létrehozásához vezethet, ami lehetővé teszi számunkra, hogy I. osztályú lehetetlenségként definiáljuk.
Energia a Halálcsillag számára
A Halálcsillag, egy olyan lézerágyú felépítéséhez, amely képes egy egész bolygót elpusztítani és rettegést hozni a galaxisba, amint azt a Csillagok háborúja mutatja, létre kell hoznia az elképzelhető legerősebb lézert. Jelenleg a Föld legerősebb lézereivel valószínűleg olyan hőmérsékleteket lehet elérni, amelyek a természetben csak a csillagok magjában találhatók meg. Talán ezek a lézerek és az azokon alapuló fúziós reaktorok valamikor segítenek minket a Földön a csillagenergia hasznosításában.
A fúziós reaktorokban a tudósok megpróbálják reprodukálni a csillag kialakulása során az űrben zajló folyamatokat. Eleinte a csillag formálatlan hidrogén hatalmas gömbjeként jelenik meg. Ezután a gravitációs erők összenyomják a gázt, és ezáltal felmelegítik; a belső hőmérséklet fokozatosan eléri a csillagászati értékeket. Például egy csillag mélyén a hőmérséklet 50-100 millió fokig emelkedhet. Elég meleg van ahhoz, hogy a hidrogénmagok összetapadjanak; ebben az esetben héliummagok jelennek meg és energia szabadul fel. A hélium hidrogénből való összeolvasztása során a tömeg egy kis része energiává alakul Einstein híres E = mc2 képlete szerint. Ez az a forrás, amelyből a csillag energiát merít.
A tudósok jelenleg két módon próbálják kiaknázni a magfúzió energiáját. Mindkét út sokkal nehezebben megvalósítható, mint azt korábban gondolták.
Inerciális bezárás a lézerfúzióhoz
Az első módszer az úgynevezett inerciális bezáráson alapszik. A Föld legerősebb lézereinek segítségével mesterségesen létrehoznak egy darab napot a laboratóriumban. A szilárd állapotú neodímium üveglézer ideális a csak a csillagmagokban található legmagasabb hőmérsékletek reprodukálására. A kísérlet során egy jó gyár méretű lézerrendszereket használnak; egy ilyen rendszerű lézerakkumulátor párhuzamos gerendák sorozatát lő ki egy hosszú alagútba. Ezeket az erőteljes lézersugarakat ezután a gömb alakú térfogat köré szerelt kis tükrök rendszeréből visszaverik. A tükrök pontosan összpontosítják az összes lézersugarat, és egy apró, hidrogénben gazdag anyagú golyóra (például lítium-deuteridra, a hidrogénbomba hatóanyagára) irányítják őket. A tudósok általában egy gombostű méretű labdát használnak, és csak körülbelül 10 mg tömegűek.
A lézer vaku azonnal felmelegíti a gömb felületét, aminek következtében az anyag felső rétege elpárolog, és a golyó élesen összenyomódik. "Összeomlik", és a keletkező lökéshullám eléri a közepét, és a gömb belsejében lévő hőmérsékletet millió fokosra ugrja - ez a szint szükséges a hidrogénmagok fúziójához, hogy héliummagokat képezzenek. A hőmérséklet és a nyomás olyan csillagászati értékeket ér el, hogy a Lawson-kritérium teljesül, ugyanaz, amely a csillagok magjában és a hidrogénbombák robbanásaiban is teljesül. (Lawson kritériuma szerint a hőmérséklet, a sűrűség és a retenciós idő bizonyos szintjeit el kell érni ahhoz, hogy a termonukleáris fúziós reakció hidrogénbombában, csillagban vagy reaktorban indulhasson el.)
Az inerciális bezárás során a termonukleáris fúzió során hatalmas mennyiségű energia szabadul fel, többek között neutronok formájában is. (A lítium-deuterid hőmérséklete elérheti a 100 millió Celsius-fokot, a sűrűség pedig az ólomé húszszorosa.) A gömbből neutron sugárzás tört ki. A neutronok gömb alakú anyagtakaróba esnek, amely körülveszi a reaktor kamráját, és felmelegíti. Ezután a keletkező hőt víz forralására használják, és a gőzt már fel lehet használni a turbina forgatására és az áramtermelésre.
A probléma azonban az, hogy összpontosítsák a nagy energiájú gerendákat, és sugárzásukat egyenletesen elosztják az apró gömb felületén. Az első nagyobb kísérlet a lézerfúzióra a Shiva volt, egy húszsugaras lézerrendszer, amelyet a Lawrence Livermore Nemzeti Laboratóriumban (LLNL) építettek és 1978-ban indítottak el (Shiva a hindu panteon többkarú istennője, amely többsugaras lézerrendszert idéz.) A „Siva” elbátortalanodott; ennek ellenére annak segítségével sikerült bizonyítani, hogy a lézeres termonukleáris fúzió technikailag lehetséges. Később a "Shiva" -ot a "Nova" lézer váltotta fel, amely tízszeresével haladta meg a hatalmon lévő "Shiva" -t. De a "Nova" nem tudta megfelelően meggyújtani a hidrogéngömböt. Howbeit,mindkettő rendszer megnyitotta az utat a célzott kutatás előtt az új Nemzeti Gyújtóintézetben (NIF), amelynek építését 1997-ben kezdték meg az LLNL-nél.
A NIF várhatóan 2009-ben kezdi meg működését. Ez a szörnyű gép 192 lézerből álló akkumulátor, amely rövid impulzus alatt hatalmas 700 billió watt teljesítményt produkál (körülbelül 70 000 nagy atomerőmű teljes teljesítménye). Ez egy korszerű lézerrendszer, amelyet kifejezetten hidrogénnel telített gömbök teljes fúziójára terveztek. (A kritikusok rámutatnak nyilvánvaló katonai jelentőségére is - elvégre egy ilyen rendszer képes szimulálni a hidrogénbomba robbantási folyamatát; talán új típusú atomfegyvert hoz létre - egy kizárólag a fúziós folyamaton alapuló bomba, amelynek detonálásához már nincs szükség urán- vagy plutónium-atom töltésre.)
De még a termonukleáris fúzió folyamatának támogatására tervezett és a Föld legerősebb lézereit tartalmazó NIF-rendszer még távolról sem képes összehasonlítani a hatalmat a Halálcsillag romboló erejével, amelyet a Csillagok háborújából ismerünk. Egy ilyen eszköz létrehozásához más energiaforrásokat kell keresnünk.
Fúziós mágneses bezárás
A második módszert, amelyet a tudósok elvben felhasználhattak a Death Rides energiájára, mágneses bezárásnak nevezzük - az a folyamat, amelynek során egy forró hidrogénplazmát mágneses tér tartja a helyén.
Ez a módszer valószínűleg az első kereskedelmi termonukleáris reaktorok prototípusaként szolgál. Jelenleg a legfejlettebb ilyen típusú projekt a Nemzetközi Termonukleáris Kísérleti Reaktor (ITER). 2006-ban több ország (köztük az Európai Unió, az Egyesült Államok, Kína, Japán, Korea, Oroszország és India) úgy döntött, hogy ilyen reaktort épít a dél-franciaországi Cadarache-ban. Ebben a hidrogént 100 millió Celsius-fokig kell felmelegíteni. Lehetséges, hogy az ITER lesz az első fúziós reaktor a történelemben, amely képes több energiát előállítani, mint amennyit elfogyaszt. Úgy tervezték, hogy 500 MW energiát termeljen 500 másodperc alatt (a jelenlegi rekord 16 MW egy másodperc alatt). A tervek szerint az első plazmát az ITER-ben állítják elő 2016-ig,és a telepítés 2022-ben teljes mértékben működőképes lesz. A projekt értéke 12 milliárd dollár, és a történelem harmadik legdrágább tudományos projektje (a manhattani projekt és a Nemzetközi Űrállomás után).
Megjelenésében az ITER telepítése nagy fánknak tűnik, amelyet kívülről fonnak össze, hatalmas elektromos tekercselési gyűrűkkel; hidrogén kering a fánk belsejében. A tekercset szupravezetés állapotára hűtik, majd hatalmas mennyiségű villamos energiát pumpálnak bele, mágneses teret hozva létre, amely megtartja a plazmát a fánkban. Ha egy elektromos áramot közvetlenül a fánkon vezetnek át, a benne lévő gáz csillag hőmérsékletre melegszik.
Az ok, amiért a tudósokat annyira érdekli az ITER projekt, egyszerű: a jövőben olcsó energiaforrások megteremtését ígéri. A fúziós reaktorokat a hidrogénben gazdag közönséges tengervíz hajtja. Kiderült, legalábbis papíron, hogy a termonukleáris fúzió olcsó és kimeríthetetlen energiaforrást nyújthat számunkra.
Akkor miért nincsenek még fúziós reaktoraink? Miért van ez már több évtizede - az ötvenes évek pillanata óta. folyamatdiagramot dolgoztak ki - nem érhetünk el valódi eredményeket? A probléma az, hogy a hidrogén üzemanyagot hihetetlenül nehéz egyenletesen összenyomni. A csillagok magjaiban a gravitáció arra kényszeríti a hidrogént, hogy tökéletesen gömb alakú legyen, ezáltal a gáz tisztán és egyenletesen felmelegszik.
A NIF lézeres termonukleáris fúziója megköveteli, hogy a hidrogéngömb felületét meggyújtó lézersugarak pontosan megegyezzenek, és ezt rendkívül nehéz megvalósítani. A mágneses zárt rendszerekben fontos szerepet játszik az a tény, hogy a mágneses mezőnek északi és déli pólusa van; ennek eredményeként rendkívül nehéz a gázt egységesen a megfelelő szférába tömöríteni.
A legjobb, amit létrehozhatunk, egy fánk alakú mágneses mező. De a gáz összenyomásának folyamata olyan, mintha egy ballont nyomna a kezébe. Minden alkalommal, amikor az egyik végéből kinyomja a labdát, a levegő kitolja egy másik helyre. A labda egyidejű és egyenletes összenyomása minden irányba nem könnyű feladat. Forró gáz általában kifolyik a mágneses palackból; előbb-utóbb eléri a reaktor falát, és a fúziós folyamat leáll. Ezért olyan nehéz a hidrogént kellő mértékben összenyomni és akár egy másodpercig is tömöríteni.
A modern atomerőművekkel ellentétben, ahol az atomok hasadása történik, a fúziós reaktor nem hoz nagy mennyiségű atomhulladékot. (A hagyományos atomerőművek mindegyike évente 30 tonna rendkívül veszélyes nukleáris hulladékot termel. Ezzel szemben a fúziós reaktorból származó atomhulladék többnyire radioaktív acél lesz, amely szétszerelése után is megmarad.)
Nem szabad reménykedni abban, hogy a termonukleáris fúzió a közeljövőben teljesen megoldja a Föld energetikai problémáit. A francia Pierre-Gilles de Gennes, a fizikai Nobel-díjas ezt mondja: „Azt mondjuk, hogy a napot egy dobozba rakjuk. Jó ötlet. A probléma az, hogy nem tudjuk, hogyan készítsük el ezt a dobozt. De a kutatók azt remélik, hogy ha minden jól megy, negyven év múlva az ITER segít a tudósoknak előkészíteni az utat a termonukleáris energia - energia, amely egy nap az otthonunk áramforrása lehet - kereskedelmi előállítása előtt. Valamikor talán a fúziós reaktorok lehetővé teszik számunkra, hogy a Földön biztonságosan felhasználjuk a csillagenergiát, és ezáltal enyhítsük energiaproblémáinkat. De még a mágnesesen zárt termonukleáris reaktorok sem lesznek képesek olyan fegyvereket működtetni, mint a Halálcsillag. Ehhez teljesen új fejlesztésekre lesz szükség.
Nukleáris szivattyúval ellátott röntgenlézerek
Van még egy lehetőség a Death Star lézerágyú építésére a mai technológia alapján - hidrogénbomba felhasználásával. A nukleáris fegyverek erejét kihasználó és összpontosító röntgenlézer-elem elméletileg elegendő energiát szolgáltathat egy egész bolygó felrobbantására alkalmas eszköz működtetéséhez.
A nukleáris reakciók tömegenként 100 milliószor több energiát szabadítanak fel, mint a kémiai reakciók. Egy teniszlabdánál nem nagyobb dúsított urándarab elegendő lenne egy egész város égésére a tűz forgószélében, annak ellenére, hogy az urántömegnek csak 1% -a alakul energiává. Mint mondtuk, sokféleképpen lehet energiát pumpálni a lézer munkaközegébe, és így a lézersugárba. E módszerek közül a legerősebb - sokkal erősebb, mint az összes többi - az atombomba energiájának kiaknázása.
A röntgenlézerek óriási jelentőséggel bírnak, mind katonai, mind tudományos szempontból. A röntgensugárzás nagyon rövid hullámhossza lehetővé teszi az ilyen lézerek alkalmazását atomtávolságú szondázáshoz és a komplex molekulák atomszerkezetének megfejtéséhez, ami rendkívül nehéz a hagyományos módszerekkel. Az a képesség, hogy „meglátjuk” a mozgásban lévő atomokat és meg tudjuk különböztetni a molekulán belüli atomjaikat, arra késztet bennünket, hogy a kémiai reakciókat teljesen új módon vizsgáljuk.
A hidrogénbomba óriási energiát bocsát ki röntgensugarak formájában, így a röntgenlézereket egy atomrobbanás energiájával lehet szivattyúzni. A tudományban a röntgenlézerek a legszorosabban kapcsolódnak Edward Tellerhez, a hidrogénbomba "atyjához".
Egyébként Teller volt az ötvenes években. a kongresszus előtt azt vallotta, hogy Robert Oppenheimert, aki korábban a manhattani projektet vezette, politikai nézetei miatt nem lehet megbízni a hidrogénbomba további munkájával. Teller tanúvallomása azt eredményezte, hogy Oppenheimert megrágalmazták és megtagadták a hozzáférést a minősített anyagokhoz; sok neves fizikus még soha nem tudott megbocsátani Tellernek ezért.
(Saját kapcsolataim Tellerrel a középiskolában kezdődtek. Ezután egy sor kísérletet végeztem az antianyag természetével kapcsolatban, elnyertem a San Francisco-i tudományos vásár fődíját és egy utat az új-mexikói Albuquerque-i Nemzeti Tudományos Vásárra. Tellerrel együtt, aki mindig odafigyelt a tehetséges fiatal fizikusokra, részt vettem egy helyi televíziós műsorban. Később mérnöki ösztöndíjat kaptam Hertzről elnevezett Tellertől, amely segített kifizetni a Harvardon végzett tanulmányaimat. Évente többször is elmentem Teller otthonába, Berkeley-be, és ott szorosan megismerte a családját.)
Elvileg a Teller röntgen lézer egy kicsi atombomba, amelyet rézrudak vesznek körül. A nukleáris fegyver robbanása gömbölyű intenzív röntgensugárzást generál. Ezek a nagy energiájú sugarak áthaladnak a rézrudakon, amelyek a lézer munkafolyadékaként működnek, és a röntgensugarat erőteljes nyalábokká koncentrálják. A keletkező röntgensugarak ezután irányíthatók az ellenséges robbanófejekre. Természetesen egy ilyen eszköz csak egyszer használható, mivel egy nukleáris robbanás önpusztítja a röntgen lézert.
Az első röntgen-lézeres tesztet, amelyet Cabra-tesztnek (Cabra) neveztek el, 1983-ban hajtottak végre. Egy földalatti aknában hidrogénbombát robbantottak fel, majd onnan származó véletlenszerű röntgensugarat fókuszáltak és koherens röntgenlézersugárrá alakítottak. A teszteket eredetileg sikeresnek találták; valójában ez az 1983-as siker inspirálta Reagan elnököt, hogy történelmi szándéknyilatkozatot tegyen a Csillagok háborúja elleni védekező pajzs felépítésére. Ez egy több milliárd dolláros programot indított el olyan eszközök hálózatának kiépítésére, mint a nukleáris szivattyúval ellátott röntgenlézerek az ellenséges ICBM-ek lelövésére. A programmal kapcsolatos munka ma is folytatódik. (Később kiderült, hogy egy szenzor, amelyet egy történelmi teszt során sugárzás regisztrálására és mérésére terveztek,elpusztult; így bizonyságában nem lehetett megbízni.)
Tényleg lehetséges egy ilyen nem triviális eszközzel lőni a ballisztikusrakéta-robbanófejeket? Nem kizárt. De nem szabad elfelejteni, hogy az ellenség számos egyszerű és olcsó módszerrel állhat elő az ilyen fegyverek semlegesítésére (például megtévesztheti a radart olcsó csalik millióinak kilövésével, vagy a robbanófej forgatásával röntgensugarakat szétszórhat ilyen módon, vagy kémiai bevonattal állhat elő, amely megvédené a robbanófejet a röntgentől). Végül az ellenség egyszerűen sorozatgyártású robbanófejeket tudott előállítani, amelyek pusztán pusztán a számuk alapján átszúrják a Csillagok háborúja pajzsát.
Ezért a nukleáris szivattyúval ellátott röntgenlézerek jelenleg nem képesek megvédeni a rakétatámadásokat. De vajon lehetséges-e létrehozni egy olyan alapon egy Halálcsillagot, amely képes egy egész bolygót elpusztítani, vagy hatékony védekezési eszközzé válni egy közeledő aszteroida ellen?
Halálcsillag fizika
Lehetséges-e olyan fegyvert létrehozni, amely képes egy egész bolygó elpusztítására, mint a Csillagok háborújában? Elméletileg a válasz egyszerű: igen. És több szempontból is.
A hidrogénbomba robbanásakor felszabaduló energiának nincs fizikai korlátozása. Ez így megy. (Az Egyesült Államok kormánya még ma is szigorúan titkos besorolásnak minősíti a hidrogénbomba részletes leírását, de általánosságban a készüléke jól ismert.) A hidrogénbomba több szakaszban készül. Ha összekapcsolja a szükséges számú fokozatot a megfelelő sorrendben, akkor szinte bármilyen előre meghatározott teljesítményű atombombát kaphat.
Az első szakasz egy szokásos hasadási bomba vagy atombomba; az urán-235 energiáját felhasználva röntgensugarat generál, amint az történt Hirosimában. A másodperc törtrésze előtt, mielőtt egy atombomba robbanása mindent szétfújna, megjelenik az erőteljes röntgensugárzás táguló gömbje. Ez a sugárzás felülmúlja a tényleges robbanást (mivel a fény sebességével mozog); sikerül újra összpontosítaniuk és egy lítium-deuteridot tartalmazó edénybe küldeni, amely egy hidrogénbomba hatóanyaga. (Ennek pontos végrehajtása még mindig államtitok.) A röntgensugarak a lítium-deuteridra hullanak, aminek következtében azonnal összeomlik és akár több millió fokra is felmelegszik, ami egy második, az elsőnél sokkal erősebb robbanást okoz. A második robbanás eredményeként robbant fel a röntgenezután újból összpontosíthat a lítium-deuterid második adagjára, és harmadik robbanást okozhat. Ez az az elv, amely szerint sok lítium-deuterid-tartályt helyezhet el egymás mellett, és elképzelhetetlen erejű hidrogénbombát kaphat. Így az emberiség történelmének legerősebb bombája a kétlépcsős hidrogénbomba volt, amelyet 1961-ben a Szovjetunió felrobbantott. Aztán robbanás következett be, amelynek kapacitása 50 millió tonna TNT-ekvivalens volt, bár elméletileg ez a bomba több mint 100 megatonnás TNT teljesítményre volt képes (ami körülbelül 5000-szer nagyobb, mint a Hirosimára dobott bomba ereje).az emberiség történelmének legerősebb bombája a kétlépcsős hidrogénbomba volt, amelyet 1961-ben a Szovjetunió felrobbant. Aztán 50 millió tonna TNT-ekvivalens kapacitású robbanás következett be, bár elméletileg ez a bomba képes volt megadni a 100 megatonnás TNT-t meghaladó energiát (ami körülbelül 5000-szer nagyobb, mint a Hirosimára dobott bomba ereje).az emberiség történelmének legerősebb bombája a kétlépcsős hidrogénbomba volt, amelyet 1961-ben a Szovjetunió felrobbant. Aztán robbanás történt, amelynek kapacitása 50 millió tonna TNT volt, bár elméletileg ez a bomba képes volt megadni több mint 100 megatonnás TNT teljesítményét (ami körülbelül 5000-szer nagyobb, mint a Hirosimára dobott bomba ereje).
Teljes bolygó meggyújtásához azonban teljesen más erőkre van szükség. Ehhez a Halálcsillagnak több ezer ilyen röntgenlézert kellene eljuttatnia az űrbe, amelyeket aztán egyszerre kellene lőni. (Összehasonlításképpen: a hidegháború csúcspontján az Egyesült Államok és a Szovjetunió egyaránt mintegy 30 000 atombombát halmozott fel.) Ilyen hatalmas számú röntgenlézer együttes energiája elegendő lett volna a bolygó felszínének meggyújtásához. Ezért a tőlünk százezer évvel távol álló jövő Galaktikus Birodalma természetesen létrehozhat ilyen fegyvert.
A magasan fejlett civilizációnak van egy másik módja: létrehozni egy olyan Halálcsillagot, amely egy gamma-sugárzás kozmikus forrásának energiáját használná fel. Egy ilyen Halálcsillagból sugárzás tört ki, amely csak hatalmon volt az Nagy Bumm után. A gamma-sugárforrások természetes jelenségek, léteznek az űrben; mindazonáltal elképzelhető, hogy egy fejlett civilizáció egyszer felhasználhatja óriási energiájukat. Lehetséges, hogy ha jóval az összeomlása és egy hipernóva születése előtt átvesszük egy csillag forgásának irányítását, akkor a gamma-sugárforrások "lövését" a tér bármely pontjára lehet irányítani.
A gammasugár-források forrásai
A GRB kozmikus forrásait először az 1970-es években figyelték fel. az amerikai katonai műholdak által indított Vela műholdakon, amelyeket "extra villanások" észlelésére terveztek - illegális atombomba-robbanás bizonyítékai. De a Föld felszínén fellángoló fellángolások helyett a műholdak óriási sugárzási rohamokat rögzítettek az űrből. A kezdeti meglepetésszerű felfedezés pánikot váltott ki a Pentagonban: a szovjetek új atomfegyvereket tesztelnek a mélyűrben? Később kiderült, hogy a robbanások egységesen érkeznek az égi gömb minden irányából; ez azt jelentette, hogy valójában kívülről érkeztek a Tejút-galaxisba. De ha feltételezzük, hogy a kitörések valóban extragalaktikus eredetűek, akkor erejük valóban csillagászati lesz - végül is képesek az egész látható univerzumot "megvilágítani".
A Szovjetunió 1990-es összeomlása után a Pentagon váratlanul hatalmas mennyiségű csillagászati adatot titkosított. A csillagászok csodálkoztak. Hirtelen rájöttek, hogy új titokzatos jelenséggel néznek szembe azok, amelyek időről időre kényszerülnek a tankönyvek és a kézikönyvek átírására.
A gamma-sugárzás időtartama rövid, néhány másodperctől néhány percig terjed, ezért gondosan szervezett szenzor rendszerre van szükség azok felderítéséhez és elemzéséhez. Először a műholdak regisztrálnak egy gammasugárzást, és elküldik a forrás pontos koordinátáit a Földre. A kapott koordinátákat optikai vagy rádióteleszkópokra továbbítják, amelyek viszont az égi gömb egy meghatározott pontjára irányulnak.
Bár a gammasugár-törésekről jelenleg még nem tudni mindent, keletkezésük egyik elmélete szerint a gammasugár-források rendkívüli erejű „hipernovák”, hatalmas fekete lyukakat hagyva hátra. Ebben az esetben kiderül, hogy a gammasugár-források a képződés szakaszában szörnyű fekete lyukak.
De a fekete lyukak két sugárzást, két sugáráramot bocsátanak ki a déli pólustól és az észak felől, akár egy fonódó csúcs. A regisztrált gammasugár sugárzása nyilvánvalóan ezen áramok egyikéhez tartozik - ahhoz, amelyről kiderült, hogy a Föld felé irányul. Ha egy ilyen forrásból származó gammasugárzás fluxusát pontosan a Földre irányítanák, és maga a forrás galaktikus környezetünkben lenne (a Földtől több száz fényév távolságra), akkor az ereje elegendő lenne ahhoz, hogy teljesen elpusztítsa bolygónkon az életet.
Először is, egy gamma-sugárforrásból származó röntgensugár által generált elektromágneses impulzus letiltotta volna a Föld összes elektronikus berendezését. Egy erős röntgensugár és gammasugárzás helyrehozhatatlan kárt okozna a föld légkörében, elpusztítva a védő ózonréteget. Ekkor egy gammasugár melegíti fel a Föld felszínét, szörnyű tűzviharokat okozva, amelyek végül elnyelik az egész bolygót. Talán a gamma-sugárzás forrása nem robbantotta volna fel a bolygót, amint azt a "Csillagok háborúja" című film is mutatja, de minden bizonnyal az egész életet elpusztította volna, hátrahagyva az elszenesedett sivatagot.
Feltételezhető, hogy egy civilizáció, amely több száz millió évvel megelőzte a fejlődésünket, megtanulja az ilyen fekete lyukakat a kívánt cél felé irányítani. Ez úgy érhető el, hogy megtanuljuk irányítani a bolygók és a neutroncsillagok mozgását, és közvetlenül az összeomlás előtt pontosan kiszámított szögben egy haldokló csillag felé irányítani őket. Viszonylag kis erőfeszítés elegendő ahhoz, hogy a csillag forgástengelyét elhajlítsa és a kívánt irányba irányítsa. Ekkor a haldokló csillag az elképzelhető legnagyobb sugárágyúvá válik.
Összesít. Az erőteljes lézerek használatát hordozható vagy kézi sugárfegyverek és fénykardok létrehozásához az I. osztály lehetetlenségének kell minősíteni - nagy valószínűséggel ez a közeljövőben, vagy mondjuk a következő száz évben válik lehetővé. De azt a rendkívül nehéz feladatot, hogy egy forgó csillagot megcélozzanak, mielőtt felrobban, és fekete lyukká alakítják, vagyis Halálcsillaggá alakítják, II. Osztályú lehetetlenségnek kell tekinteni - ami nem egyértelműen ellentmond a fizika törvényeinek (elvégre a gammasugár-források a valóságban léteznek), de csak a jövőben valósulhat meg, több ezer vagy akár millió év után.
A könyvből: "Lehetetlen fizikája".