|
Что такое плазменное оружие?
Плазменное оружие является одной из самых популярных идей в научной фантастике. Во вселенной "Вавилона 5" используют нечто под названием "PPG", что расшифровывается как Phased Plasma Gun (Фазовая Плазменная Пушка). Ничто точно не знает, что значит "фазовая", т.к. оружие стреляет отдельными плазмоидами, но это не слишком важно, поскольку "фазовый" - всего лишь один из тех научных терминов, что давно потеряли всякий смысл благодаря технобреду научной фантастики. В любом случае, выстрелы из PPG выглядят как светящиеся точки, летящие на дозвуковых скоростях. Точно так же выглядит используемая ромуланцами "плазменная торпеда" в эпизоде "Balance of Terror" из классического "Звездного пути". Больше всего она походила на светящуюся оранжевую каплю. И, наконец, значительное число фанатов "Звездных войн" (вероятно, под влиянием "Звездного пути"), решив запрыгнуть на подножку уходящего поезда, стали считать зеленые выстрелы турболазеров плазменным оружием.
Но чем же является плазменное оружие? Для тех, кто не в курсе: плазму обычно описывают, как четвертое агрегатное состояние вещества после твердого, жидкого и газообразного. Технически это ионизированный газ, т.е. газ, в котором внутренняя энергия настолько высока, что электроны выделяются из электронных оболочек атомов. Ионосфера Земли в основном состоит из плазмы, которую так же можно описать как "горячий суп" из свободно плавающих ядер и электронов (не совсем верно, подробности см. хотя бы здесь; прим. переводчика). Таким образом, логично предположить, что плазменное оружие должно поджигать цель при непосредственном контакте.
Тем не менее, поражение цели пучками ионов называют, как правило, "поражение пучком ионов", а не "поражение плазменным оружием". Так в чем же разница? Все дело в том, что плазменное оружие в фантастике - оружие тепловое, т.е. поражение происходит за счет внутренней энергии горячего сгустка плазмы, который поражает цель, а не направленной вперед кинетической энергии потока ионов.
На самом деле, т.н. "плазменное оружие" в научной фантастике стреляет обычно видимыми "болтами", перемещающимися гораздо, гораздо медленнее, чем перемещаются частицы самой плазмы. Например, типичные ручные "плазменные пистолеты" в научной фантастике стреляют "болтом", перемещающимся, в лучшем случае, со скоростью 1 км/с (а чаще скорость может быть вовсе дозвуковой), но даже в относительно "холодной" плазме с энергией 1 эВ средняя скорость (среднеквадратичное значение мощности) составит 13,8 км/с для ядер и 593 км/с для электронов (предполагается равное распределение энергии в объеме). Данное обстоятельство является главным ограничением эффективности "болтов" и их непонятной особенностью: как оправдать необходимость существования плазменного оружия, где частицы с хаотичным движением и высокой скоростью ограничены в объеме медленных "капель", а не направлены вперед с одинаковым вектором и большой скоростью, как это будет в потоке частиц? Такое оружие будет иметь значительно меньшую проникающую способность, то есть окажется значительно менее эффективным, даже если сумеет выстрелить.
А еще это оружие имеет, как правило, одну интересную особенность: его выстрелы не затрагивает гравитация. Есть не учитываемый нюанс; плотные объекты, такие, как пули, падают под действием тяготения, а легкие предметы - такие, как воздушный шар, наполненный гелием, всплывают под действием эффекта плавучести. Вы не можете увидеть падение пули, потому что она слишком маленькая и быстрая, чтобы заметить ее невооруженным глазом, однако криволинейность траектории заметна и значительна, но не присуща научно-фантастическому "плазменному оружию", чьи заряды всегда двигаются прямолинейно к своим целям так, точно гравитация отсутствует вообще. Можно было бы оправдать такое поведение плотностью снаряда, равной плотности воздуха, но если такой "болт" имеет плотность воздуха, то по свойствам напоминает обычный воздушный шар, что делает подобный снаряд, мягко говоря, малоэффективным.
Какова же будет эффективность плазменного оружия?
Вкратце: в любом случае, когда скорость достижения цели для болта будет не более одной тысячной секунды - просто никакой. Видит ли, плазма расширяется очень быстро и, хотя плазменные пушки существуют в реальности и предлагаются к использованию в качестве механизма компенсации выгорания топлива в токамаках при термоядерном синтезе, они никогда всерьез не рассматривались в качестве оружия. Да, такие орудия могут стрелять "каплями" плазмы с энергиями мегаджоулевого диапазона, но даже в вакууме плазма не сохранится в виде сгустка достаточно долго, не говоря уже про атмосферу, в которой она будет двигаться примерно так же хорошо, как в кирпичной стене (серьезно, плотность атмосферы на уровне моря в миллиард раз больше, чем у термоядерной плазмы). Вы можете серьезно увеличить дальность стрельбы, разгоняя ионы до сверхвысоких (релятивистских) скоростей, но те "болты", что мы видим в научно-фантастических произведениях, вряд ли имеют возможность двигаться с такими скоростями.
Хорошо, а почему бы тогда просто не запереть плазму? Очевидным возражением станет тезис, что для ограничения в пространстве сгустка плазмы Вам придется создать какое-то автономное магическое поле сдерживания, которое будет двигаться вместе с болтом, не требуя никаких дополнительных технических средств для своего существования. Но в этом случае ситуация лишь ухудшится. Скажем, мы говорим о "болте" плазмы с длиной 1 метр, диаметром полсантиметра и мощностью 1 МДж (что эквивалентно примерно четырем унциям ТНТ). Допустим, что это 1 кэВ плазмы (около 8 млн. К); Вам потребуется 6,24Е21 (Е - распространенное написание значения степени, т.е. 6,24Е21 следует читать как "шесть целых двадцать четыре сотых на десять в двадцать первой степени"; прим. переводчика) ионов, т.е. менее чем 0,01 грамма водородной плазмы. Небольшая проблема: воздух будет во много раз плотнее, так что такой плазменный "болт" будет пытаться всплыть из-за эффекта плавучести и таким образом потребуется еще одна силовая установка, чтобы проводить такие болты с их незначительными импульсами ускорения сквозь атмосферу. Обе эти проблемы могут быть решены благодаря простому ускорению частиц (уже на гиперзвуковой скорости снаряд будет иметь достаточный импульс, что бы смягчить эффект плавучести и увеличить эффективную дальность стрельбы). Но поскольку это опять имело бы место в случае пучка частиц, а не научно-фантастической "подвижной капли плазменного оружия", данное решение здесь неприменимо. Одним словом, типичный дозвуковой или незначительно превышающий скорость звука в движении "болт" из взрывающейся плазмы, типичный для научной фантастики, потребует автономного магического защитного поля, при этом все равно будет всплывать, даже если поле позволит удерживать плазму.
В общем, спросите себя: насколько хорошо будет работать такая система? Звучит не слишком впечатляюще, правда? Попробуйте представить себе выстрел паром из ружья - пар быстро рассеивается в воздухе. Так почему же замена "пара" на "плазму" кажется хорошей идеей, если плазма в действительности - всего лишь горячий газ?
Можно ли заставить плазменное оружие работать?
Хорошо, а почему бы не попытаться решить эту проблему с помощью значительно меньшей энергии плазмы с одновременным повышением плотности? Мы могли бы попытаться решить проблему плавучести, сделав болт холоднее (скажем, 1 эВ, или 8000К, что лишь немного жарче, чем на поверхности Солнца), что потребует в тысячу раз больше ионов в том же объеме, но плотность такого выстрела будет все еще слишком мала, чтобы протолкнуть ее сквозь атмосферу с малым импульсом. Он необязательно всплывет, но Вы можете бросить в кого-нибудь просто воздушный шар и убедиться, как хорошо летает объект с плотностью атмосферы.
Нет, если Вы хотите протолкнуть такой "болт" через атмосферу, он должен быть или значительно плотнее, чем воздух, или перемещаться с экстремальными скоростями, которые научно-фантастическим оружием, как правило, не обеспечиваются (и это, опять-таки, превратит такое оружие в пучковый ускоритель, а не в традиционное "плазменное оружие" из НФ). Так что, если мы уменьшим объем, чтобы сделать его плотнее, чем твердый снаряд? Ну, это позволит забыть о проблеме невозможности проталкивания снаряда через атмосферу, но теперь у Вас появилась задача сжать его до такой плотности с огромным давлением. Если мы сожмем наш мегаджоулевый плазмоид до объема в один кубический сантиметр и применим уравнение идеального газа (отлично подходящее для плазмы), получим давление в диапазоне от 700 гигапаскаль! Если посчитать, что это в тысячу раз больше, чем предел текучести высококачественной стали, можно понять, что у нас проблемы.
Так какие проблемы возникают при необходимости наличия защитного поля в тысячу раз прочнее стали просто для того, чтобы удержать плазму в сгустке? Некоторые вопросы проистекают из простой логики, например: если они могут создать такое сильное поле сдерживания, каким-то образом поддерживающее себя и не нуждающееся в сторонних проекторах, то почему нельзя создать личные щиты такой же силы или даже сильнее? Можно было бы задать вопрос, почему плазма не светится, как Солнце, если она жарче фотосферы Солнца и плотнее, чем сталь. И, наконец, можно было бы спросить, почему наша плазменная "пуля", более плотная, чем алюминий, не действует, как настоящая пуля, то есть не двигается по баллистической траектории и не падает под действием силы тяжести. Хотя это не может быть препятствием для гипотетического научно-фантастического оружия, это, безусловно, не соответствует тому, что мы знаем по НФ, где не заметно дуги траектории под действием силы тяжести.
В заключение, хочется сказать, что идея медленно движущегося автономного плазмоида, как поражающего элемента, просто не имеет никакого смысла. Ваш "болт" постоянно пытается взорвать сам себя на пути к цели, вы должны придумать какое-то абсурдно сильное, но простое в построении защитное поле, чтобы поддерживать его целостность (рождая таким образом очевидные вопросы, почему эта супер-технология сдерживания не используется, чтобы без всяких усилий защититься от таких "болтов"), и когда он, наконец, достигает цели и мифическое "защитное поле" разрушается, содержащиеся в нем ионы немедленно разлетаются во всех направлениях, рассеивая большую часть своей энергии в пространство без всякого вреда для цели. Даже те ионы, которые поразят цель, не смогут пробить твердую броню, а лишь слегка нагреют ее, поскольку направления их движения хаотичны и их кинетические энергии не сонаправлены. И после всего этого, плазмоид не станет двигаться так, как это показано в фантастике, а пойдет по дуге так же, как выстрелы из автоматической пушки русского БТР-80 в этом ролике.
Хорошо, а что относительно плазменного оружия в космосе?
Проблемы, связанные с проталкиванием автономной капли плазмы сквозь атмосферу, в космосе, по понятным причинам, не стоят столь остро, однако проблемы потребности в энергии встают в полный рост. Описываемое в фантастике плазменное оружие, как правило, имеет мощность в пределах килотонн, мегатонн и даже выше. Такие значения необходимы, чтобы конкурировать с ядерными боеголовками, перед которыми плазменное оружие имеет массу технологических недостатков и лишь несколько, часто надуманных, преимуществ.
Рассмотрим гипотетический сгусток плазмы с выходной мощностью в 1 мегатонну и приблизительным объемом 1 млн. кубометров (что много для плазменного сгустка и вполне сравнимо с объемом небольшого звездолета). Если мы предположим, что используем водородную плазму со средней энергией частиц 100 кэВ (абсурдно высокие температуры - почти 800 млн. К), потребуется 2,6Е29 ионов (примерно 215 кг), чтобы получить выходную мощность 1 Мт ТНТ (4,2Е15 джоулей). Использование уравнения идеального газа даст давление в этом огромном объеме 1 млн. кубометров давление примерно в 3 ГПа, или более чем в три раза выше предела текучести высококачественной стали.
В общем, проблемы атмосферного плазменного оружия лишь частично смягчаются в космосе. Для их эффективного применения необходимо фантастически сильное силовое поле, чтобы удерживать болт (требование, становящееся все труднее выполнимым с увеличением мощности плазменного оружия), при этом до сих пор нет ответа, почему враг не использует аналогичное силовое поле, чтобы предотвратить или отклонить удар, если подобные силовые поля могут быть созданы так легко, что Вы можете позволить себе использовать его для плазменных сгустков и оно будет удерживать плазму без всяких дополнительных устройств. Перед Вами все еще стоит проблема случайной направленности частиц в плазме по отношению к направлению удара и вытекающих отсюда плохих проникающих свойств, а если Вы находитесь близко к поверхности планетоида - то и с проблема движения снаряда по баллистической дуге. Еще раз: эти проблемы могут быть практически полностью решены с использованием релятивистских скоростей, так, что скорость расширения сгустка будет намного меньше относительной скорости движения, но это не имеет ничего общего с "болтами" плазмы из научной фантастики.
Так почему же авторы научной фантастики используют "плазменное оружие"?
Возможно, следует спросить их самих. Я подозреваю, что они используют его потому, что это звучит круто, а еще потому, что они не могут придумать ничего лучшего (один из парадоксов научно-фантастического мира заключается в том, что большинство современных авторов обладает научными познаниями уровня выпускника средней школы). И нравится Вам это, или нет, но этого достаточно для большинства писателей НФ наших дней. Хотя, если бы можно было изобрести такое поле, которое сжимало бы сгусток плазмы так сильно, что он смог бы летать по воздуху, как твердый предмет, то почему бы не использовать эту фантастическую технологию, чтобы нести нечто более разрушительное, например - небольшой заряд антивещества?
Существует рациональный способ использования "плазменного оружия" в научной фантастике, но речь в таком случае будет идти о пучке частиц, а не "медленно движущемся дискретном плазмоиде".
А что авторы могут изобрести вместо плазменного оружия?
Очень многое, правда. Пушки, ракеты, бомбы, лазеры и пучки частиц (в частности, на нейтральных частицах, такие, как нейтронные пушки, где проблема электромагнитного отталкивания не будет вызывать дополнительного расширения луча, а электромагнитное экранирование станет неэффективным), все это прекрасно работает и не требует каких-то фантастических иррациональных волшебных, движущихся самостоятельно с автономным питанием полей, бросающих вызов гравитации и в тысячу раз превышающих прочностью сталь. Однако все это знакомо многим авторам научной фантастики, но презирается ими.
Некоторые факты о плазме.
Плазма на поверхности Солнца имеет температуру около 6000К. Температура у ядра Солнца составляет примерно 15 млн. К. Температура в центре молнии превышает 50 млн. К. Прогнозируемые температуры в активной зоне коммерчески жизнеспособного термоядерного реактора 100 млн. К. Сталь плавится при 1810К.
Плазма светится в первую очередь через тормозное излучение. Это процесс, в котором заряженные частицы рассеиваются или отклоняются при взаимодействии с электрическим полем. Когда частицы теряют кинетическую энергию, она излучается в виде фотона. В присутствии мощного магнитного поля, синхротронное излучение и циклотронные процессы (видимо, речь о агнитотормозном, или циклотронном, излучение электрона при его вращении в магн. поле; прим. переводчика) становятся существенными, так как заряженные частицы движутся вокруг магнитных силовых линий (подразумевается, что речь идет о воздействии силы Лоренца, когда заряженная частица движется перпендикулярно к силовым линиям магнитного поля, закручиваясь вокруг силовой линии магнитного поля; прим. переводчика). Нормальная неионизированная материя светится монохроматическим радиоизлучением, в результате чего возможен только один разрешённый электронный переход из возбуждённого в основное состояние; разница излучается в виде фотона (вообще, половинчато; подробнее об излучении плазмы; прим. переводчика).
Частицы в плазме редко взаимодействуют, из-за большой скорости разлета частиц и небольшой силы электромагнитного взаимодействия. Без стороннего вмешательства, ионы идут в разлет, речи о термоядерном синтезе не идет. На самом деле, расстояния свободного разлета при угле рассеивания 90' в плазме измеряется десятками километров. Тем не менее, частицы в плазме могут массово взаимодействовать в условиях высоких давлений (например, в звездных ядрах, где давление настолько велико, что плазма сжимается до плотности, превышающей плотность урана).
Поведение плазмы приближено к поведению идеальных газов, следовательно, ее свойства могут быть описаны через уравнения идеального газа PV=NRT. Вы можете попытаться вспомнить уравнения идеального газа, преподаваемые в школе на уроках физики, но если нет - в нем говорится, что произведение давления и объема газообразного тела линейно коррелирует с его массой и температурой. Обратите внимание, что астрофизики предпочитают формулу P=nkT, где n - концентрация частиц и k - постоянная Больцмана.
Если дейтериевая плазма достигнет достаточной плотности и температуры, начнется термоядерный синтез. Например, 3,51 ГВт реактор STARFIRE2 (модель с параметрами, необходимыми для достижения экономической целесообразности, а не с реальными проектными характеристиками) требует плотности плазмы в 1,69Е20 дейтронов на кубический метр с общим объемом 781 м Ё. Средняя температура дейтрона и электрона составляет 24,1 кэВ и 17,3 кэВ соответственно. С точки зрения непрофессионала, это средняя плотность дейтрона и температура 2.695E-7 кг / м Ё и 186 млн. К соответственно. Другими словами, плазмоид реактора STARFIRE должен заполнить объем помещения в тысячу квадратных футов лишь 0,0002 кг плазмы при давлении, превышающем 200 кПа. Однако эти требования, какими бы недостижимыми они ни казались, все же преувеличивают реальную вероятность синтеза, поскольку основаны на констатации высокой чистоты D-T плазмы. Температура для D-D синтеза на порядок выше, а требование к H-H синтезу превосходят их еще на несколько порядков.
Плазмотроны с выходом электроэнергии в мегаваттном диапазоне существуют в реальной жизни. Тем не менее, их энергоэффективность ограничена плотностью плазмы и, следовательно, они подходят для плавления, но не испарения твердых тел. Это важно для концепции "горячего синтеза", предложенной Истлендом и Гауфом, с их использованием в качестве "топлива" твердых и газообразных материалов. Но в любом случае, нерешенной остается проблема дисперсии.
Сечение ядерной реакции кулоновского рассеивания при 10 кэВ составляет 1Е4 барн, в то время как сечение реакции для D-T синтеза порядка 1Е2 барн, то есть в миллион раз меньше сечение реакции рассеивания. При реакции D-D синтеза энергетический уровень ниже еще на два порядка! Другими словами, вылет иона дейтерия в 10 кэВ плазмы даже без кулоновского рассеивания в сто миллионов раз более вероятен, чем синтез с другим ионом дейтерия.
Няшечка рекомендует посмотреть, десу:
Собственно, плазма.
Излучение плазмы.
Вириальная теорема.
Ускорители заряженных частиц.
УТС.
|