Wie effektiv ist ein Freie-Elektronen-Laser im Weltraumkampf?

Laser sind auf diese Entfernungen nicht sehr effektiv. Es gibt zwei Hauptprobleme, die irgendwie interagieren. Der primäre ist die Streuung des Strahls. Es ist nicht möglich, mit einem Laser eine perfekte Lichtsäule zu erzeugen. Es gibt immer ein Fokussierelement, und seine Öffnung ist wichtig für die Bildung einer Airy-Scheibe . Die Gleichung für diesen Effekt lautet:

$\theta \approx 1.22\frac{\lambda}{d}$

Wo$\lambda$ist die Wellenlänge und$d$ist der Durchmesser der Öffnung. Sie wollen ein kleines$\theta$um möglichst viel Energie auf das andere Fahrzeug zu fokussieren, was große Durchmesser und kleine Wellenlängen bedeutet. Sagen wir einfach, Ihr Laser hat eine gigantische Apertur von$1m$, und Sie verwenden sichtbares Licht, also$\lambda=10^{-6}$(Hinweis: Sie könnten UV- oder Röntgenstrahlen verwenden, um dies zu verbessern, aber sie sind viel schwieriger zu handhaben). Dies führt zu einer Airy-Diskette von$\theta\approx 0.00000122 radians$. In einer Entfernung von$1000000m$, wie Sie in den Kommentaren erwähnt haben, das ist$1.2m$. Das ist der Punkt mit dem kleinsten Durchmesser, auf den Sie sich konzentrieren können.

Jetzt weiß ich nicht, woher Sie Ihre 20-Fuß / s-Nummer zum Schmelzen von Stahl haben. Stahl hat eine spezifische Wärme von 480 J/K-kg. Jetzt müssen Sie dies auf mindestens 1500 ° C bringen, um es zu schmelzen (realistischerweise mehr, weil geschmolzener Stahl bei 0 Schwerkraft immer noch an Ort und Stelle bleibt). Wenn wir so freundlich sind und davon ausgehen, dass wir bei 300 K (irgendwo ungefähr Raumtemperatur) beginnen, benötigen wir 576 kJ/kg, um Stahl zu schmelzen. Das bedeutet, dass unser 1-MW-Laser ungefähr 2 kg Stahl pro Sekunde schmelzen kann. Bei einer Dichte von 7850 kg/m3 und einer Fläche von etwa 1 Quadratmeter (die luftige Scheibe war 1,13 m² groß) hat die Stahlpanzerung in diesem Geschoss, auf das wir uns konzentrieren, eine Masse von 7850 kg/m oder 7,85 kg/mm . Das heißt, wir können ungefähr einen Millimeter schmelzenStahl alle 4 Sekunden. Wir würden es gerne besser machen, aber die luftige Scheibe lässt uns nicht kleiner als das fokussieren.

Das zweite Problem ist das, was Renan erwähnt hat: Tracking. Denken Sie daran, dass Sie diesen Laser alle 4 Sekunden auf das Ziel halten müssen, um einen Millimeter Stahl zu verbrennen. Relativgeschwindigkeiten von Fahrzeugen sind schnell im Raum. Sie können relative Geschwindigkeiten in Tausenden von m/s sehen. Das Objekt kann in diesen 4 Sekunden relativ zu Ihnen leicht 10000 m zurücklegen, und währenddessen müssen Sie die Spur auf den Bruchteil eines Meters genau verfolgen. Diese Art von Präzision ist eines XKCD - Artikels würdig!

Betrachten Sie zum Schluss die offensichtliche Lösung: Rollen. Wenn Ihr Gegner einen Laser 4 Sekunden lang auf einen Abschnitt richten muss, um einen Millimeter zu verbrennen, und Sie rollen, wird er eine Menge Probleme haben, weil der Zielbereich schließlich hinter Ihnen rollt und er auswählen muss ein neuer Zielpunkt.

Alles in allem machen die Entfernungen dies nur schwer. Kinetische Waffen sind effizienter, weil sie unterwegs Anpassungen vornehmen können. Es gibt eine anständige Literatur über Waffen, Gegenwart und Zukunft, die diesen Weg gegangen sind oder diesen Weg gehen werden.

Nicht sehr viel.

Das mag zunächst nach einer guten Idee klingen. Nichts ist schneller als Licht im Vakuum. Und ohne eine Atmosphäre, die seine Energie absorbiert, ist die Reichweite praktisch unendlich.

In der Praxis müssen Sie den Laser jedoch auf das Ziel fokussieren, damit er so effektiv wie möglich ist. Um einen Laser auf ein Ziel zu fokussieren, müssen Sie wissen, wo es sich befindet. Aber das Verfolgen von Dingen im Weltraum ist sehr schwierig:

Siehe Wie genau (maximal mögliche Genauigkeit) können zukünftige Satellitenpositionen vorhergesagt werden? , auf space.stackexchange.com.

Die Antwort auf diese Frage mag nach Raketenwissenschaft klingen. Das liegt daran, dass es Raketenwissenschaft ist.

Sie haben also ein Problem, bei dem Sie auf einen volumetrischen Raum und nicht auf einen Punkt zielen müssen. Sie haben eine gewisse Chance zu verpassen.

Ein weiteres Problem ist, dass der Raum groß ist. Ich werde es nicht im Detail beschreiben ... Öffnen Sie einfach Kerbal Space Program (ein absoluter Muss-Simulator, wenn Sie in die Orbitalmechanik eintauchen möchten) und schnappen Sie sich einen Asteroiden. Sie werden bald ein paar Dinge lernen:

• Alle Ziele, die sich in Bezug auf Sie mit einer beträchtlichen Geschwindigkeit bewegen, sind nur für sehr kurze Zeiträume sichtbar (zumindest mit bloßem Auge), und das ist der Fall, wenn sie Ihnen relativ nahe kommen. Meistens benötigen Sie ein leistungsstarkes Teleskop, um sie zu sehen. Teleskope haben per Definition sehr enge Sichtfelder. Wenn Sie also nicht wissen, wo sich ein Ziel befindet, und Sie nicht über eine sehr große Auswahl an Teleskopen verfügen, scannen Sie möglicherweise ewig. Was uns zum nächsten Punkt führt:

• Meistens wissen Sie nur über sehr genaue Telemetrie, wo sich das Ziel befindet. Wenn jemand herausfindet, dass Sie ihn erschießen möchten, zögert er möglicherweise, Ihnen Telemetriedaten zur Verfügung zu stellen.

Und dann gibt es noch ein Problem mit der Distanz. Es ist irgendwie ein Catch-22:

• Wenn Sie ihnen nahe genug sind, dass Sie mit einiger Genauigkeit auf sie schießen können, dann sind Sie ihnen auch nahe genug, dass sie genau auf Sie schießen können. Und dass sie auf dich geschossen haben, erfährst du erst, wenn du getroffen wurdest.

• Wenn sie so weit entfernt sind, dass sie ihre Geschwindigkeit ändern können, bevor sie getroffen werden, kann selbst die kleinste Beschleunigung in irgendeine Richtung dazu führen, dass Sie Ihr Ziel verfehlen. Selbst wenn sie sich noch im Strahlengang befinden, könnten sie außerhalb des Fokus gefangen werden, sodass der Schaden verringert oder sogar aufgehoben werden kann.

Alles in allem scheinen Laser keine gute Weltraum-zu-Weltraum-Waffe zu sein – zumindest nicht gegen Ziele, die sich nicht in der Umlaufbahn eines Planeten befinden. Für "stationäre" Stationen und Basen und gegen Ziele auf der Oberfläche eines Planeten (insbesondere bei dünner oder fehlender Atmosphäre) könnten sie eine gute Wahl sein.