Российские физики предлагают атаковать опасные астероиды ядерными взрывами

Существует два варианта защиты Земли: изменение траектории движения астероидов или разрушение их на мелкие осколки, большая часть которых не столкнётся с планетой.

Иллюстрация MasterTux/pixabay.com.

Исследователи разработали технологию изготовления искусственного вещества каменных (хондритовых) астероидов с заданными свойствами.

Иллюстрация NASA/JPL-Caltech.

Нашей планете угрожает примерно 15 тысяч крупных астероидов, и последствия от падения некоторых из них могут обернуться глобальной катастрофой

Напомним, что астероиды представляют собой небесные тела, состоящие из углерода, кремния, металла или льда. Диаметр таких объектов колеблется от 30 метров до уничтожающих все живое 900 километров, а средняя скорость их движения — 20 километров в секунду. Столкновение с астероидами представляет одну из самых больших опасностей для нашей планеты, поэтому эксперты составляют различные сценарии защиты Земли от атак незваных космических гостей. 

Сегодня учёные рассматривают два основным варианта: изменение траектории движения астероидов или разрушение их на мелкие осколки, большая часть которых не столкнётся с Землей. 

Второй вариант подробно описали в своём исследовании российские астрофизики и инженеры. Они разработали методику, которая позволяет экспериментально определять, насколько разрушительной окажется атака небесного тела с Земли. В рамках работы авторы провели расчёты и построили модель разрушения астероидов ядерным взрывом. При этом применялось лазерное воздействие на миниатюрные копии потенциально опасных объектов. 

В работе приняли участие специалисты из Московского физико-технического института, Института космических исследований, Российского федерального ядерного центра ВНИИЭФ и Троицкого института инновационных и термоядерных исследований

Учёные уточняют, что моделировали воздействие на астероид мощной ударной волны от ядерного взрыва на его поверхности. Отмечается, что короткое лазерное воздействие на миниатюрную копию астероида сопоставимо с ядерным взрывом на реальном объекте по ключевым процессам, вызывающим его разрушение. В эксперименте исследователи получили схожие графики распределения температуры и давления процессов.

Для корректного моделирования физики создавали миниатюрный макет с плотностью и прочностными характеристиками астероида, повторяли его геометрическую форму, также обеспечивали равенство характерных давлений в начале ударно-волновой стадии процесса. Это равенство с точностью до коэффициента, соответствует равенству отношения энергии ядерного взрыва к массе астероида и отношения энергии лазерного импульса к массе мини-макета.

Например, согласно расчётам, для разрушения астероида диаметром 200 метров необходима энергия в шесть мегатонн в тротиловом эквиваленте (4,184·1015 джоулей). В таком случае аналогом для моделирования послужит  копия диаметром 8-10 миллиметров и разрушающий лазерный импульс в 500 джоулей.

Исследователи разработали технологию изготовления искусственного вещества каменных (хондритовых) астероидов с заданными свойствами.

Чтобы моделирование было максимально точным, исследователи разработали технологию изготовления искусственного вещества каменных (хондритовых) астероидов с заданными свойствами — это наиболее распространенный тип астероидов (более 90%). Учитывался химический состав, плотность, пористость, прочность. Для подтверждения соответствия лазерных экспериментов действительности учёные провели газодинамические расчёты.

В основу создания мини-макетов легли данные анализа структуры вещества каменного астероида (хондрита), упавшего на Землю пять лет назад, в феврале 2013 года, рядом с населённым пунктом Чебаркуль. При создании астероидного вещества использовалась комбинация процессов осаждения, сжатия и нагрева: имитация естественных процессов его образования в природе. Из цилиндрических образцов искусственного астероидного вещества были изготовлены образцы разных форм: шаровидные, эллипсоидные, кубические и другие.

Исследования проводились на лазерных установках "ИСКРА-5", "ЛУЧ" и "САТУРН". Лазерное излучение сначала усиливалось до нужной мощности, а затем направлялось на закреплённый в экспериментальной вакуумной камере взаимодействия мини-макет. В эксперименте обеспечивалась возможность боковой и тыльной диагностики разрушения и регистрации разлёта осколков макета астероида. Среднее время лазерного воздействия на макет составляло от 0,5 до 30 наносекунд.

Чтобы оценить масштабы разрушения, авторы вновь обратились к челябинскому астероиду. Он имел начальный размер около 20 метров и при прохождении атмосферы раздробился на мелкие фрагменты, которые не нанесли катастрофического урона. Таким образом, если размер падающего астероида (гипотетически) будет составлять 200 метров, то его удастся разрушить на осколки, имеющие линейный размер в 10 раз и массу в 1000 раз меньше исходных (при условии, что угол вхождения объекта в атмосферу Земли и траектория движения его осколков будет близка к траектории челябинского астероида).

Кроме того, учёные проверили, может ли эффект разрушения "накапливаться". Иными словами, можно ли заменить один сильный взрыв несколькими последовательно запущенными, но с меньшей мощностью. Было обнаружено, что с точки зрения общего критерия разрушения несколько более слабых импульсов (как одновременных, так и последовательных) не дают заметного преимущества по сравнению с однократным импульсом суммарной мощности.

Также эксперименты показали, что лазерное излучение разрушало копии астероидов более эффективно, если вводилось в углубление, предварительно подготовленное в макете. 

Авторы планируют продолжить исследования с мини-макетами различной прочности и состава, в том числе с макетами каменно-ледяных и железоникелевых астероидов, а также уточнить, как наличие углублений может повлиять на эффективность разрушения астероида. 

"Наша база коэффициентов и зависимостей для разного типа астероидов позволит оперативно смоделировать взрыв и найти критерии разрушения. Пока явной опасности нет, и у нашей команды есть время доработать методику спасения нашей планеты от катастрофы. Параллельно работаем над моделированием отклонения астероида без его разрушения", — рассказал один из авторов исследования, доцент кафедры прикладной физики и кафедры лазерных систем и структурированных материалов МФТИ, Владимир Юфа.

Результаты работы российских специалистов опубликованы в "Журнале экспериментальной и теоретической физики".