Dämpfung eines Lasers im Weltraum?

Die Gleichung für die Leistung, die von einem Laserstrahl in einer Entfernung in einem Radiuskreis emittiert wird$r$auf Abstand$z$wo der Strahldurchmesser ist$w(z)$ist

$$P(r,z)=\frac{1}{2}\pi I_0w_0^2\left(1-e^{-2r^2/w^2(z)}\right)$$ wo $I_0$ist die anfängliche Intensität und $w_0$ist der anfängliche Strahldurchmesser (siehe diese Kursnotizen ). Wenn wir davon ausgehen, dass der gesamte Durchmesser des Strahls das Ziel trifft, dann können wir einstellen $r=w(z)$und bekomme $$P=\frac{1}{2}\pi I_0w_0^2\left(1-e^{-2}\right)$$ Wir könnten schreiben $I_0$als Funktion der elektrischen Feldamplitude $E$und die charakteristische Impedanz $\eta$(siehe diese Präsentation ), aber es könnte besser sein, nur Zahlen abzuarbeiten. Jedenfalls geht diese Gleichung davon aus, dass der gesamte Strahl das Ziel trifft, was nicht unbedingt der Fall ist. Würden wir den stärksten Laser der Welt verwenden , könnten wir etwa 1,3 erreichen $\times$10 ¹⁵ Watt Leistung - für eine halbe Billionstel Sekunde.

Denken wir über die Strahldivergenz und die Rayleigh-Länge nach . Dies ist der Wert von$z$wofür$w(z)=2w_0$. Es wird von gegeben

$$z_R=\frac{\pi w_0^2}{\lambda}$$ Der NIF-Laser arbeitet mit einer Wellenlänge von 351 nm ( Haynam et al. (2007) ), wobei alle 192 Strahlen durch ein Loch mit einem Durchmesser von weniger als 1 mm fokussiert werden. Unter der Annahme, dass unsere Laser Strahlbreiten von etwa so viel haben, dann haben wir a $z_R$von ~22 Metern. Das ist nicht gut.

Dies liegt jedoch daran, dass die Strahlen so klein sein müssen. Die Boeing YAL-1 hätte bei bis zu 300 Kilometern effektiv sein können (siehe Zusammenfassung eines Berichts ). Wenn wir also die Leistung erhöhen, könnten wir theoretisch Ergebnisse erzielen, die eher denen von NIF ähneln – wirklich, wirklich explosiv. Ein paar hundert Kilometer sollten erreichbar sein.

Laserabschirmung ist ein ganz anderes Problem. Bei diesen Energien gibt es nicht viel, was diese Laser stoppen kann. Die meisten Dinge fangen Feuer oder explodieren (oder beides). Verdammt, das ist der Grund, warum die NIF sie benutzt!

Eine Möglichkeit besteht darin, einen Schild aus "Müll" zu verwenden - im Grunde genommen Laserkanonenfutter. Es wird nach und nach von Laserangriffen weggefressen.

Probleme:

1. Es hindert das Schiff daran, irgendetwas zu tun (den Gegner zu sehen, Raketen abzufeuern usw.).
2. Es ist vorübergehend, muss ersetzt werden und hält möglicherweise nicht lange an.

Eine zweite Lösung könnte die Verwendung eines Schutzgases sein . Dies wird üblicherweise beim industriellen Schweißen verwendet, um etwas Wärme von Schweißlasern zu absorbieren. Ich habe absolut keine Ahnung, ob es funktionieren könnte. Sie müssten wahrscheinlich ein Magnetfeld aufbauen, um es einzudämmen (wenn möglich), und es würde sichtbares Licht verdecken. Aber es ist vielleicht besser als nichts.

Die Antwort von Hde kann nur auf der Atomic-Raketen-Site ( http://www.projectrho.com/public_html/rocket/spacegunconvent.php ) wirklich erweitert werden, die Links zu vielen anderen Sites, Berechnungstabellen und ausgearbeiteten Beispielen enthält, also werde ich sprechen über Verteidigung.

Die kurze Antwort ist, dass die meisten Ideen zur Verteidigung gegen Laserwaffen Müll sind. Eine verspiegelte Hülle könnte 99 % des einfallenden Strahls reflektieren, aber der Energieimpuls ist so kurz und scharf, dass die restlichen 1 % den Spiegel beschädigen und nachfolgende Schüsse durch die Hülle brennen lassen. Ablative Materialien werden schnell weggebrannt und selbst das Drehen des Raumfahrzeugs wird nur dazu führen, dass eine verrückte Decke von Brandlinien das Schiff bedeckt, bevor etwas versagt (und ein rotierendes Raumfahrzeug wird bereits unter großem Stress stehen).

Wenn Sie etwas haben, das einen bestimmten Laser stoppen kann, arbeitet der Feind an einer stärkeren Laserwaffe (größerer Spiegel, kürzere Wellenlängen, die gleiche Leistung verpackt in kürzere Strahlemissionen usw.), wobei die ultimative Waffe das RBoD (Ravening Beam des Todes); ein Freie-Elektronen-Laser mit einem Beschleuniger von einem Kilometer Durchmesser, der einen Röntgenstrahl bis zu einer Lichtsekunde (fast die Entfernung von der Erde zum Mond) liefern kann. Eine vollständige Beschreibung finden Sie am Ende des Laserabschnitts bei Atomic Rockets (oben).

Wenn er Sie also von einer Lichtsekunde weg verdampfen und innerhalb einer Lichtminute beträchtlichen Schaden anrichten kann, wie reagieren Sie?

Defensiv müssten Sie eine enorme Menge an Material tragen, um die einfallende Energie zu absorbieren. Ein riesiger Eisschild absorbiert einen Großteil der einfallenden Energie, und die Wärme wird in der Eismasse abgeführt. Der Vorteil davon ist, dass die hohe Energie des Strahls das Wasser wahrscheinlich verdampft und ionisiert, wodurch ein Plasma entsteht, das dazu neigt, noch mehr Energie zu absorbieren und „den Strahl hinaufzuwandern“, wodurch der Schlag des Lasers blockiert wird (obwohl, wenn das RBoD ein Licht ist zweiten weg, das nützt dir auf Dauer nicht viel). Der Nachteil davon ist, dass es extrem energieintensiv wird, Ihr Schiff überhaupt zu bewegen, geschweige denn Kampfmanöver durchzuführen, sodass der RBod Ihr Schiff nach und nach in Stücke schneiden kann. Aus Wassereis lässt sich relativ günstig und einfach ein Schiff bauen (siehe http://neofuel.com/iceship/index.html), also könnten Sie versuchen, den RBoD mit der schieren Masse an Zahlen zu überwältigen.

Dies führt zum anderen Ansatz, der aktiven Verteidigung oder der Bekämpfung von Feuer mit Feuer. Rick Robinsons Website Rocketpunk Manifesto ( http://www.rocketpunk-manifesto.com ) sprach oft von „Eyeball Frying Contests“, bei denen Laser versuchen, die optischen Pfade feindlicher Laser abzufeuern und den optischen Zug zu zerstören. Dies macht eine Vielzahl von Annahmen, die hinterfragt werden können, ist aber im Prinzip eine vernünftige Idee. Gegenmaßnahmen dazu sind die Verwendung externer bombengepumpter Laser als Sprengköpfe auf Drohnen und Raketen oder das zufällige Lenken des optischen Zugs auf verschiedene Kampfspiegel zwischen den Schüssen.

Der andere Ansatz besteht darin, zu versuchen, das RBoD mit Tausenden von ankommenden Sprengköpfen mit kinetischer Energie zu überwältigen. Diese haben den Spitznamen "Soda Cans of Death" (SCoD) erhalten, was darauf hinweist, dass sie etwa die Größe einer Softdrinkdose haben, die in riesigen Mengen geliefert wird. Da selbst kleine Objekte, die sich mit orbitaler und interplanetarer Geschwindigkeit bewegen, enorme Mengen an kinetischer Energie haben, könnte der Aufprall selbst eines solchen beträchtlichen Schaden anrichten, daher sollte das Feuerleitsystem das RBoD so programmieren, dass es versucht, den Himmel von ankommenden SCoDs zu befreien, anstatt zu schießen bei dir. Irgendwann gibt es mehr Ziele, als das RBoD bewältigen kann (Zykluszeiten, Überhitzung, Neupositionierung des Spiegels usw.), sodass es unter einem Hagel von KE-Streiks untergeht. (Schade, dass sie zur gleichen Zeit auch Busse voller SCoDs auf dich zurückgeschossen haben....).

Der Weltraumkrieg wird sehr chaotisch sein und den Himmel mit Tausenden von Sensoren, Waffen und sich gegenseitig unterstützenden Systemen füllen (Sie glauben nicht wirklich, dass es da draußen nur ein RBoD gibt, oder?). Ich vermute, dass die großen Kosten all dessen jeden echten Weltraumkrieg theoretischer machen werden, ähnlich wie die Dreadnoughts des Ersten Weltkriegs einen Großteil des Krieges in stark geschützten Stützpunkten verbrachten und sich über die Nordsee hinweg finster anstarrten, weil das Risiko, eine Schlacht zu verlieren, so groß war im Vergleich zu den potenziellen Gewinnen des Gewinnens.