Wie ist es, ein Sci-Fi-Lasergewehr abzufeuern?

TL;DR: Es gibt keinen Rückstoß, es gibt möglicherweise kein Geräusch, Sie sehen sichtbare Lichtstrahlen, der Schaden sieht ein bisschen aus, als würde man durch harte Substanzen bohren und weiche Substanzen explodieren. Die Wirkung des Schusses auf das Ziel wird laut und hell sein. Nicht mit dem verbleibenden Auge auf das Laseropfer blicken. Trage eine futuristische Rüstung aus Kohlenstoffnanoröhren. Alles andere ist ziemlich schlecht gegen Laser.

Ich bin ein großer Fan von Luke Campbells Arbeit an Scifi-Laserkanonen. Er hat einen (leider unvollendeten) Teil seiner Website zu diesem Thema hier , und es gibt hier einige Diskussionen über ein konkretes Arbeitsbeispiel von ihm zu Project Rho . Ich werde im Grunde seinen Sachen folgen; Es ist sehr gut.

Annahmen

• Ich bin mir nicht sicher, wie hoch Ihr Megajoule pro Quadratmeter sein soll, aber ein Megajoule ist eine viel zu hohe Energie für einen Antipersonenlaser, und ein Megajoule pro Quadratmeter ist eine viel zu geringe Intensität für eine Laserwaffe. Mein Beispiellaser liefert 2500 J an das Ziel, an einer Stelle mit einem Durchmesser von 2 mm. Das ist eine Intensität von etwa 400 MJ/m ² . Zum Vergleich: Die Mündungsenergie einer 5,56-NATO-Patrone beträgt etwa 1800 J und eine 7,62-mm-NATO-Patrone etwa 3500 J.
• Das ist ein Pulslaser. Der „Schuss“ wird in Form von 50 Impulsen mit einer Dauer von 1 μs und einer Energie von jeweils 50 Joule mit 4 μs zwischen jedem Impuls für eine Gesamtschusszeit von 250 μs abgegeben. Scheint bissig genug zu sein. Die Gründe dafür sind kompliziert, aber das Durchbohren eines Ziels mit einer Impulsfolge ist eine gute Möglichkeit, den Schaden zu maximieren, ohne Energie zu verschwenden, um heißes Gas oder breite Krater zu erzeugen oder einen atmosphärischen Zusammenbruch zu riskieren . Luke Campbell nennt diesen Lasertyp einen Blaster
• Sie sagten, Sie sollten sich keine Gedanken über die Fokussierung machen, aber denken Sie daran, dass die Entfernung des Ziels und die Einstellung der Optik eine Zeit ungleich Null in Anspruch nehmen. Denken Sie daran, wenn Sie "Snap Fire" sagen ... das Schießen auf eine unbekannte Entfernung mit einem unfokussierten Laser kann sie blenden, wenn Sie Glück haben, aber wahrscheinlich nichts Nützliches tun. Die Schärfentiefe mit einer plausiblen Laserpistole für den Einsatz durch Menschen wird begrenzt sein.

Schießen

Das Abfeuern der Waffe wird höchstwahrscheinlich geräuschlos sein. Die Spitzenleistungspegel hier sind hoch (100 MW, wenn der Laser aktiv ist), und Geräusche bedeuten Verschwendung, die zu mechanischer Bewegung oder Lichtbogenbildung führt, und so etwas bei diesen Leistungspegeln wird Ihre Waffe kochen. Was nicht schweigen wird, ist das Kühlsystem, denn das muss wahrscheinlich vor dem Schießen aktiv sein, da Sie nicht möchten, dass das Kühlmittel um den Laser selbst zu heiß wird. Nach dem Schießen wird es lauter ... Sie möchten eine Zwangsluftkühlung in einer Atmosphäre, daher werden Lüftergeräusche auftreten, die nach dem Schuss noch eine Weile anhalten. Auch die Bildstabilisierung der Optik kann vor der Aufnahme ein leises Geräusch machen.

Es wird keinen atmosphärischen Zusammenbruch mit nachfolgender Erzeugung von Plasma, Rauschen und Licht geben. Dies liegt daran, dass jeder vernünftige Laser, der dies tut, beim eigentlichen Zappen eines Ziels absolut nutzlos ist, da seine gesamte Strahlenergie aufgebraucht ist. Dicker Rauch und Staub zwingen Sie dazu, niedrigere Impulsleistungen zu verwenden. Die Waffe könnte schlau genug sein, das für Sie zu erledigen. Es könnte Sie warnen und Ihnen sagen, dass Sie es selbst tun sollen, aber in der Hitze des Gefechts werden Sie es wahrscheinlich nicht tun, weil Sie ein fehlbarer Fleischsack sind. Die von diesem Laser erzielten Spitzenleistungen, kombiniert mit dem schmalen Fokus des Strahls in der Nähe des Ziels, erreichen eine Intensität, die gefährlich nahe an der Zerfallsintensität sauberer Luft liegt. Wenn Dinge zu Staub zermahlen werden, verdampfen oder Feuer fangen, beginnt sich Plasma entlang des Strahls zu bilden, Beginnend mit dem Ziel und zurück zum Schützen, wenn die Luft schmutziger wird. Das ist ein Zeichen dafür, Kraft oder Konzentration zu reduzieren oder einen Moment innezuhalten.

Ein Laser mit sichtbarem Licht ist in der Luft deutlich sichtbar. Bei einem grünen 500-nm-Laser beträgt die Streuung etwa 33 W pro Meter, was selbst bei Tageslicht sehr deutlich sichtbar ist (es ist heller als ein fluoreszierendes Streifenlicht) und jedem eine klare Linie zwischen Schütze und Ziel zeigt. Ein 1000-nm-Nah-IR-Laser mit der gleichen Leistung streut eher 2 W pro Meter, ist aber für das bloße Auge unsichtbar. Es wird jedoch in jeder Art von "Nachtsicht" -Ausrüstung hell auftauchen.

Der Schütze wird mit ziemlicher Sicherheit den Strahl der Waffe, die er abfeuert, nicht direkt sehen, weil er nicht davon geblendet werden möchte. Sie tragen Filterbrillen, Schutzbrillen oder Kontaktlinsen (oder Kameralinsen), die die entsprechende Wellenlänge vollständig blockieren. Möglicherweise sehen Sie immer noch feindliche Laser, die mit anderen Wellenlängen arbeiten als denen, auf die Sie vorbereitet waren, aber wenn Sie wüssten, welche Wellenlängen Ihre Gegner verwenden, würden Sie diese auch blockieren. Verschiedene Arten von elektronischen Displays zeigen Ihnen die Strahlen von ansonsten unsichtbaren Lasern, einschließlich Ihres eigenen, damit Sie sehen können, wo jeder schießt. Solche Displays können Ihnen auch Nah-IR-Laserstrahlen zeigen, die mit bloßem Auge unsichtbar sind.

Wurde erschossen

Dort, wo der Strahl auf das Ziel trifft, erhalten Sie einen sehr hellen Blitz, wo Material verdampft und teilweise ionisiert wurde. Dies ist im Grunde breitbandiges Licht mit hoher Farbtemperatur, unabhängig von der Farbe des Laserstrahls. Die Pulse sind zu kurz und zu nah beieinander, als dass irgendjemand anderes als eine Maschine sie unterscheiden könnte. Es wird einen lauten Knall oder Knall geben, wahrscheinlich nicht anders als eine Waffe, die losgeht.

Was mit dem Ziel geschieht, hängt davon ab, woraus es besteht. Wenn es mit einer superfuturistischen Kohlenstoffpanzerung aus Nanoröhren oder anderen sehr starken und feuerfesten Materialien geschützt ist, relativ wenig. Es schneidet ein Loch ein paar mm tief. Diese Waffe ist nicht dazu da, Ihr Äquivalent zu Space Marines zu töten. Gegen Stahl wird es jedoch eine wunderbare Arbeit leisten, ein tiefes Loch zu schmelzen und zu sprengen, das etwas breiter als die Stelle und fast 8 cm tief ist. Das Loch wird nicht sauber, sondern unordentlich sein, verursacht durch entweichende heiße Gase, anstatt nur zu schmelzen. Stahl ist eine schreckliche Rüstung für den Einsatz gegen Laser. Beton ist auch eine schlechte Wahl für die Deckung, da der Schuss über 25 cm des Materials durchschlagen kann. Es wird Sie danach nicht töten, aber ein zweiter genauer Schuss (anstelle eines Schnellschusses) könnte es sicherlich tun.

Gegen ein ungepanzertes menschliches Ziel bläst es ein Loch durch sie hindurch. Die Folge von Heißdampfexplosionen dehnt sich mit viel größerer Kraft aus als ein Kugeleinschlag, und der Schaden wird folglich größer sein. Wenn der Strahl auf ein Glied trifft, löst er sich. Wenn der Strahl das Ziel im Oberkörper trifft, sind die Überlebenschancen minimal. Der Schaden ist weitgehend mechanisch, verursacht durch schnell expandierendes überhitztes Gas (z. B. eine Explosion ), nicht durch Schmelzen und Verbrennen. Die Wunden werden nicht sauber oder kauterisiert sein. Es wird chaotisch und grafisch.

Der Blitz des Schusses, der das Ziel trifft, wird für das Sehvermögen von Personen mit ungeschützter Sicht, die zuschauen, schlecht sein. Jegliches Laserlicht, das von der Gas- und Trümmerwolke gestreut wird, ist hell genug, um zu blenden, ebenso wie alle Reflexionen. Es wäre riskant , diese Waffe überall dort einzusetzen, wo es Zuschauer gibt, die Sie nicht blenden möchten. Wenn Sie eine Wellenlänge verwenden, die von der Hornhaut sehr gut absorbiert wird, kann dies zu einer korrigierbaren oberflächlichen kataraktähnlichen Erblindung führen, sodass Sie die Wunde möglicherweise später verbinden können. Zivil- und Polizeiwaffen könnten sich diese Tatsache zunutze machen. Die Wellenlänge von 1000 nm ist wahrscheinlich gut für diesen Zweck.

Es macht ein Geräusch

Wenn die Energiedichte etwas höher wäre, würde es ein knallendes Geräusch geben, da das Aufblühen dazu führt, dass sich ein Teil der Luft entlang des Feuerpfads vorübergehend in Plasma verwandelt (ein Effekt, der ein wenig wie ein Blitz ist).

Es gibt ein noch größeres Geräusch, wenn es das Ziel trifft (mehr dazu in Kürze)

Es hat Rückstoß

In Science-Fiction-Umgebungen hatte ich darüber noch nie nachgedacht, aber Photonen haben Schwung. Es ist das Prinzip, nach dem Lichtsegel gebaut sind.

Der Impuls eines einzelnen Photons ist${{planksConstant \times frequency} \over {speedOfLight}}$. Die Frequenz lässt sich aus der Wellenlänge und der Lichtgeschwindigkeit ermitteln$frequency = {speed \over wavelength }$

Aus Gründen der einfachen Mathematik wähle ich eine Betriebswellenlänge von 300 nm (leicht ultraviolett). Das ergibt eine Frequenz von${{3 \times 10^8} \over {300 \times 10^{-9} }} = {{3 \times 10^8} \over {3 \times 10^{-7} }} = {1 \times 10^{15}}$

Der Impuls eines einzelnen Photons dieser Frequenz ist${{6 \times 10^{-34} } \times {1 \times 10^{15}}} \over {3 \times 10^8}$=${{6 \times 10^{-19} } \over {3 \times 10^8}}$=$2 \times 10^{-27}$kgm/s.

Die Energie desselben Photons ist gleich der Planckschen Konstante mal der Frequenz,${6 \times 10^{-19} }$Joule

Eine Waffe vom Kaliber .50 hat eine Mündungsfläche von 0,0014 Quadratmetern.

Wenn die Waffe knapp 1 Megajoule pro Quadratzentimeter (0,0001 Quadratmeter pro Quadratzentimeter) austeilt, ist die Energie pro Schuss in einem Moment auf dem Ziel$0.0014 \over 0.0001$= 14 Quadratzentimeter. Multipliziert mit 1 MJ pro Quadratzentimeter ergibt sich eine Gesamtenergie von 14 MJ.

Teilen Sie die Gesamtenergie von 14 MJ (14 Millionen Joule) durch die Energie pro Photon${6 \times 10^{-19} }$Joule, um die Gesamtzahl der Photonen zu erhalten${1.4 \times 10^{7} } \over {6 \times 10^{-19} }$=${ 0.23 \times 10^{26} }$Photonen.

Da wir nun die Gesamtzahl der Photonen kennen, können wir den Rückstoß berechnen:${ 0.23 \times 10^{26} } \times { 2 \times 10^{-27} } = { 0.46 \times 10^{-1} }$kg m/s = 0,046 kg m/s

Wie viel Rückstoß ist das?

Ein Jagdgewehr Kaliber .22 feuert mit etwa 1.200 Fuß pro Sekunde ($\approx 330$m/s) ein 40 Grain ($\approx 2.5$Gramm = 0,0025 Kilogramm) Projektil hat einen Rückstoß von$330 \times 0.0025 = 0.825$kgm/s

Das Lasergewehr hat also ungefähr$1 \over 20$th (5%) der Rückstoß einer Schießpulverwaffe im gleichen Formfaktor. Es kann immer noch eine Schulung erforderlich sein, um die Waffe effektiv zu verwenden.

Ich kann mir vorstellen, dass jemand, der an Laserwaffen ausgebildet und gewöhnt ist, denken würde, wenn er oder sie jemals eine Schießpulverwaffe abgefeuert hat, wäre die Schießpulverwaffentechnologie nutzlos. Mit seinem 20-mal stärkeren Tritt würde sich jemand, der sich an Laserwaffen gewöhnt hat, fragen, wie es überhaupt möglich war, ein so unhandliches Ding im Kampf einzusetzen.

Wie fühlt es sich an, von diesem Ding getroffen zu werden?

Mit der hohen Energie und der geringen Verweilzeit ist diese Waffe nicht dafür ausgelegt, ein Loch durch Sie zu schneiden.

Es ist stattdessen so konzipiert, dass es Sie mit genug Energie trifft, dass sich ein Teil Ihres eigenen Körpers in explodierende Gase verwandelt.

Wie viel Energie Sie tatsächlich absorbieren, hängt von vielen erschwerenden Faktoren ab, aber wenn Sie davon ausgehen, dass Sie einen Großteil der 14 Megajoule Energie abbekommen haben, wie schlimm ist das?

1 Kilogramm Äquivalent TNT-Energie entspricht 4,1 MJ. Eine von einem Lasergewehr verursachte Explosion liefert dann 14 Megajoule an Ihren Körper oder in die Nähe$14 \over 4.1$= 3,4 kg

Wie viel ist das? Laut Wikipedia hat die typische moderne skalierbare Offensivgranate 340 Gramm ~ 0,34 Kilogramm Sprengkraft. In dem Raum zu sein, in dem dieses Gewehr mit einem einzigen Schuss nach Hause trifft, ist daher so, als würden 10 Offensivgranaten direkt auf Sie gepflanzt und gleichzeitig gezündet.

Es gibt eine Explosion

Wie wir vielleicht in einigen Science-Fiction-Filmen gesehen haben (aber allgemein dachten, sie seien die kitschigen), erzeugt dieser Laser einen Feuerball. Aber es ist eher eine Bombenexplosion aus expandierendem Gas aus dem 2. Weltkrieg als ein verweilender Hiroshima-Ball aus brennender Luft.

Das würde sogar im Weltall gelten, denn das sich ausdehnende Gas war früher das Oberflächenmaterial des Targets.

Es gibt eine Menge Kollateralschäden

Zusätzlich zu der Explosion am Zielort wurden winzige Mengen dieses Strahls während der Reise, die diese Energie von der Waffenmündung zum Ziel nahm, von der Atmosphäre in alle möglichen Richtungen reflektiert.

Selbst in Laserlabors mit geringer Leistung werden die Schüler gebeten, eine Brille zu tragen, um zu vermeiden, dass Laserenergie auf sie zurückreflektiert wird. Und in einigen Fällen kann dieses kleine reflektierte Bit ausreichen, um Kleidung zu beschädigen – selbst bei sehr niedrigen Leistungseinstellungen.

Diese wandernde Energie, die auf 10 offensive Handgranaten der Lieferung skaliert ist, verletzt jetzt alles vor - und hinter - Ihnen, wenn sie abgefeuert wird.

Dies ist keine Waffe der begrenzten Kriegsführung. Es ist auch keine Präzisionswaffe. Zufällige Personen, die keinen angemessenen Schutz tragen, können schwere Verbrennungen erleiden.

Verschieben Sie dies in den Weltraum, bleibt die Situation bestehen und wird schlimmer. Die meisten Reflexionen treten auf, wenn ein Ziel getroffen wird, wodurch ein Teil der Energie abgelenkt wird. Aber es gibt keine Atmosphäre, um die Energie geduldig abzubauen.

Es scheint, als gäbe es eine geringe Wahrscheinlichkeit, dass ein Fahrzeug sogar mehrere Lichtsekunden nach der Weltraumschlacht einen Streuschuss abgibt. Und da der Weltraum die Energie nicht zerstreut, ist es vielleicht nicht ungewöhnlich, dass gelegentlich zufällige Raumschiffe im Laufe der Geschichte, selbst wenn sie mehrere Lichtstunden entfernt sind, das unglückliche Glück haben, von Querschlägern oder Fehlschüssen getroffen zu werden.

Es würde eingebautes taktiles und auditives Feedback liefern.

Es war beunruhigend, eine Waffe zu haben, die feuerte, aber man wusste es nicht genau. Es gibt einen minimalen Kick. Sie können den Laser nicht immer sehen. Sie können nicht sicher sein, dass es funktioniert hat. Soldaten waren an normale Schusswaffen gewöhnt, die Geschosse verschießen. Diese bieten taktiles und akustisches Feedback, damit Sie wissen, dass Sie tatsächlich den Abzug gedrückt haben und die Waffe funktioniert hat. Nachdem Lasergewehre ausgerollt wurden, wurden viele Gegenstände in der Nähe mit Lasern aus nächster Nähe beschossen, als Soldaten versuchten, festzustellen, ob ihre Waffen funktionierten. verschwenderisch und gefährlich.

Feedback-Methoden wurden in spätere Modelle eingebaut. Verschiedene Sounds wurden mit Onboard-Sounderzeugung ausprobiert. "Pew Pew" war aus gesellschaftsgeschichtlichen Gründen ein früher Favorit, aber einige Offiziere fanden es würdelos. Außerdem konnten die Soldaten inmitten der Kakophanie mehrerer identischer "Pew Pew" -Geräusche nicht sicher sein, welche der vielen feuernden Waffen das Geräusch machte. Objekte wurden immer noch oft aus nächster Nähe geschossen.

Letztendlich wurde das spezifische taktile Feedback, das der Abzug bot, und das akustische Feedback, das bei einem erfolgreichen Schuss geliefert wurde, einzelnen Soldaten überlassen, die ihre Waffengeräusche und das Gefühl wie ihre Klingeltöne anpassten.

Viele hervorragende Laser-Rifer-Sounds wurden dann entwickelt und implementiert. Soldaten versuchen oft, ihre Schüsse zu synchronisieren und zu timen, um ihre verschiedenen Lasergewehrgeräusche zu elektronischen Beattracks zu kombinieren. Es kommt zu Rap-Battles. Es wird von einigen (älteren) Offizieren immer noch als würdelos angesehen, aber es ist großartig für die Moral und wird daher toleriert.

Ich denke, das Abfeuern der Waffe würde sich anfühlen, als würde man mit einem Spielzeuggewehr eines Kindes spielen. Es würde kein Geräusch machen, es sei denn, ein interner Mechanismus würde Geräusche machen. Und es hätte keinen nennenswerten Rückstoß, da die Masse der Photonen so gut wie nicht vorhanden ist. Die Waffe selbst könnte einen gewissen Kick zeigen, wenn ein signifikanter Stromfluss vorhanden wäre, der eine Lorentz-Kraft erzeugt.

In einer Atmosphäre würde der Laserpuls die Atmosphäre erhitzen, was dazu führen würde, dass der Weg des Pulses ein Teilvakuum bildet. Nachdem der Impuls vorbei war, strömte die Atmosphäre zurück und erzeugte ein Knacken oder einen Donnerschlag – ich denke, es wäre ein Knacken wie statische Elektrizität.

Von einer solchen Waffe getroffen zu werden, wäre normalerweise schmerzlos, da Nervengewebe verdampft oder gekocht und inaktiv gemacht würde. Wenn dies ein stationärer Strahl ist, würde die Energieübertragung Gewebe und Knochen abtragen und Blut kochen. Diese Umwandlung des Körpers in eine Dampffahne würde eine Gasbarriere bilden, wenn sich das überhitzte Körpergewebe vom Körper weg ausdehnt und einen Teil der Energie des Strahls absorbieren würde. Aus diesem und anderen Gründen könnte die Laserwaffe gepulst werden, damit sich die Zielfahne auflösen könnte.

Ein Teil dieser überhitzten Dampfwolke würde sich in Richtung des Körpers bewegen, dies wäre ein weiterer Teil der technischen Energieübertragung. Der überhitzte Dampf würde mehr Gewebe in geringerem Maße verdampfen. Dieses Muster würde sich fortsetzen, bis die Energie vollständig dissipiert war.

Da die Geschwindigkeiten des überhitzten Dampfes alles andere als relativistisch wären, gäbe es keine der Dinge, die in Filmen und im Fernsehen zu sehen sind, wo jemand erschossen und zurückgeworfen wird. Das Ziel würde eine Druckwelle erfahren, die durch die expandierenden Gase und die Ablation von Gewebe verursacht wird. Wenn sie in Null-G wären, würde es wie ein Schub wirken und sie nach hinten drücken. Aber auf einem Planeten weiß ich nicht, ob es genug Kraft wäre, um sie von den Füßen zu werfen.

Alle beschädigten Zellen, die im Körper verbleiben, würden am Ende im Blut abgebaut und von den Nieren herausgefiltert. Und genau wie bei einem Blitzschlag besteht ein hohes Risiko für Nierenversagen und Tod, wenn es verstopft wird. Und gekochtes Blut, das im Kreislaufsystem verbleibt, wäre nicht mehr in der Lage, Sauerstoff oder Kohlendioxid zu transportieren, und die Atmung könnte beeinträchtigt werden. Und es bestünde die Möglichkeit einer Embolie, wenn vergastes Gewebe in das Kreislaufsystem eindringen und zum Herzen gelangen würde. Mir wurde gesagt, dass dies in medizinischen Shows stark übertrieben wird und nicht unbedingt sofort tödlich ist, sondern einen medizinischen Eingriff erfordern würde, um Verletzungen oder Handlungsunfähigkeit zu vermeiden.