Лазерный мир

Учёные Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королёва совместно с коллегами из филиала Физического института имени П.Н. Лебедева РАН и университета Эмори (США) разработали лазер, который способен защитить Землю от столкновения с астероидами. Установка работает на смеси безопасных газов.

Космическая угроза

15 февраля 2013 года. Рабочий день Юлии Карбышевой, учительницы одной из школ Челябинска, начинался как обычно: тетради, учебники и сонные четвероклассники за партами. Неожиданно

мощная световая вспышка нарушила привычное течение дел. Дети бросились к окнам. Сначала прямо в сторону школы, а затем над ней, двигался светящийся шар. Он летел, оставляя бесконечный хвост.

Юлия сразу поняла, что это не световое шоу. Она приказала ученикам спрятаться под партами, а сама побежала открывать стеклянные межкомнатные двери, так как раньше эта школа была детским садом. Но мощный взрыв прозвучал до того, как все окна и двери были открыты, а учительница успела укрыться в безопасном месте. Ударная волна выбила стёкла, Юлия оказалась под осколками. Зато ни один из 44 находящихся в классе детей не пострадал. Юлия успокоила школьников и вывела их на улицу, а позже была доставлена в больницу с порезами сухожилий левой руки и бедра.

По данным МЧС, в тот день от порезов осколками только в Челябинске пострадали 1142 человека, 48 из которых были госпитализированы. Ударная волна задела почти 3 тыс. многоквартирных домов. Никто не погиб, но сюжет фантастического фильма стал реальностью – в Челябинской области упал метеорит. По оценкам NASA, мощность взрыва, который сопровождал метеорит в момент входа в атмосферу, в 20 раз превзошла мощность атомной бомбы, сброшенной на Хиросиму.

Но в тот раз человечество легко отделалось. Столкновение крупного астероида с Землей может стать причиной массового вымирания. Специалисты не исключают, что подобное произойдёт в ближайшие 30-40 лет.

Буксир и гравитационный тягач

Астероидами называют относительно небольшие космические тела неправильной формы, которые движутся по орбите вокруг Солнца. Если проще, это каменные глыбы. Учёные предполагают, что возникли они на заре образования Солнечной системы из фрагментов веществ, которые остались после формирования планет. Астероид, упавший на Землю, – это метеорит.

Направление движения таких тел может совпадать с направлением движения Земли. Иногда расстояние между астероидом и планетой сокращается слишком сильно, тогда на астероид действует сила тяжести, и космическая глыба начинает двигаться в сторону планеты. Если размеры астероида незначительны, то он разорвётся ещё до вхождения в атмосферу Земли. Но если космическая глыба в

диаметре больше 10 км, то её столкновение с планетой неизбежно приведёт к уничтожению человечества.

Поэтому учёные разрабатывают методы, с помощью которых можно изменить направление движения околоземных объектов. Например, использование «космического импактора» – огромной болванки, которую запускают навстречу космической глыбе; «буксира» – ракетного двигателя, который закрепляют на необходимом объекте; «гравитационного тягача» – небольшого тела, расположенного рядом с астероидом, длительное воздействие которого меняет направление его полета. Не исключают и ядерную бомбардировку.

Неожиданный метод «обезвреживания» астероидов в 2012 году предложили шотландские учёные Массимилиано Василе и Кристи Мэддок. Он заключался в применении лазерной абляции, удаления веществ с поверхностей лазерным импульсом. Предполагалось, что, если направить лазерные лучи на астероид, можно добиться трансформации небольшого количества вещества, что в свою очередь изменит направление движения объекта.

До сих пор учёные думали, что для работы с космическими телами нужен лазер мегаваттного класса, который может привести в действие только ядерный реактор. Но Василе и Мэддок предложили использовать не один огромный, а множество небольших лазеров. Такой подход уменьшал количество вспомогательных устройств и общий вес установки, а также позволял использовать солнечную энергию вместо опасного ядерного топлива.

Процесс создания и вывода на орбиту таких систем требует намного больше времени и средств, чем крупноразмерный лазер. Метод требовал доработки, но безопасное применение лазеров в борьбе с астероидами уже не воспринималось как нечто невозможное.

Волшебный световой пучок

В переводе с английского языка «лазер» означает усиление света посредством вынужденного излучения. Основой устройства является оптический квантовый генератор, который преобразует электрическую, химическую, тепловую или какую-либо еще энергию в концентрированный световой поток, лазерный луч.

Ключевыми элементами в создании вынужденного излучения являются атомы, недоступные человеческому глазу частицы, из которых состоит абсолютно всё вокруг нас. В каждом атоме есть электроны, которые занимают определенные энергетические уровни.

Когда в атоме нет ни избытка, ни недостатка энергии, электроны располагаются на самых нижних энергетических уровнях. В этом случае атом находится в стабильном состоянии.

Если вдруг в него «ударит» частица с сильной энергией, некоторые электроны переместятся на более высокие уровни, и атом перейдет в возбуждённое состояние. Когда все эти перевозбуждённые электроны захотят отдохнуть, они воссоединятся со своими соседями в нижних энергетических уровнях и при столкновении создадут энергию в виде фотонов – световых частиц.

Все необходимые для функционирования лазера атомы находятся в рабочем теле. Оно определяет мощность, диапазон излучения и другие характеристики лазера. В качестве рабочего тела используют жидкости (метанол, этанол), газы (углекислый газ, аргон), твердые тела (кристаллы, стекло) и полупроводники. Для того, чтобы произошёл процесс излучения, рабочее тело подвергается энергетической накачке. Она является тем самым «ударом», который переводит атомы в возбуждённое состояние. Источником необходимой для накачки энергии может быть электрический разряд, химическая реакция или другой источник света.

Получается, что в результате воздействия внешнего источника энергии на атомы некоторые электроны переходят в возбуждённое состояние. Постепенно успокаиваясь и возвращаясь к своим неактивным соседям, электроны вызывают реакцию спонтанного излучения. Выпущенный фотон сталкивается с другими ещё возбуждёнными электронами, которые в свою очередь создают копию столкнувшейся с ними частицы света. Так запускается механизм вынужденного излучения – рабочее тело преумножает полученный от спонтанного излучения свет.

Для того, чтобы собрать все это в один мощный пучок, вокруг рабочего тела расположен оптический резонатор – система зеркал, смотрящих друг на друга. Такой целенаправленный характер лазеров делает их идеальными инструментами для точных прямых разрезов. Например, в хирургии и на производствах.

К обороне готовы

Несмотря на существование лазерного метода шотландцев, его невозможно применить, так как все известные в мире лазерные установки мегаваттного класса работают на мощных ядовитых газах, например, на хлоре.

Но учёные Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королёва совместно с коллегами из филиала Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) решили эту проблему. Они разработали лазерную установку, которая позволит строить мощные компактные безопасные лазеры для борьбы с астероидами. В основу работы установки нового типа положена концепция Майкла Хэвена, профессора химии университета Эмори (США).

В качестве энергетической накачки безопасный лазер использует излучение простых полупроводниковых диодных лазеров. При этом рабочее тело установки состоит из атомов инертных газов (неон, аргон, криптон и ксенон) – они не имеют цвета, запаха, вкуса, неспособны к горению и оказанию какого-либо вредного воздействия на окружающую среду. В возбуждённое состояние они переводятся под воздействием электрического разряда.

Таким образом, в камеру, содержащую смесь атомов инертных газов, подаётся излучение обычного маломощного диодного лазера. При взаимодействии с газовой смесью излучение усиливается в разы и формирует гораздо более мощный и качественный лучевой поток, чем в других лазерах. Кроме того, для масштабирования устройства необходимо всего лишь увеличить ёмкость с инертными газами.

Такое сочетание технологий позволяет создать компактный лазер, который способен выдавать непрерывное излучение мощностью до нескольких мегаватт.

Ко всему прочему подобное излучение практически не поглощается в атмосфере, а это значит, что установку нового типа можно использовать для связи на дальнем расстоянии и передачи энергии.

Работу над лазером с оптической накачкой самарские ученые начали в 2012 году. В данный момент они экспериментально изучают возможности установки, ищут наиболее эффективные соотношения элементов, а также разрабатывают способы безопасного достижения предельной мощности.

Источник: https://saint-petersburg.ru/m/science/dobrovolskaya/372336/