Плазменное оружие

Что такое плазменное оружие?

Плазменное оружие — одна из самых популярных идей в научной фантастике. В сериале Вавилон-5 используется нечто под названием ФПП — фазовые плазменные пушки. Никто не может сказать точно, что же в них фазового, ведь плазмоид — сгусток, обладающий совершенно случайной формой. Но, по-видимому, нам приходится мириться с тем, что слово фазовый превратилось в один из тех научных терминов, что стали практически бессмысленными из-за злоупотребления ими со стороны авторов научной фантастики. В любом случае, выстрелы из ФПП выглядят как светящиеся точки, движущиеся с явно дозвуковой скоростью. Схожим образом ромуланцы использовали плазменную торпеду в классическом эпизоде Баланс страха сериала Звездный путь. Торпеда выглядела как большой светящийся оранжевый шар. И, наконец, значительное число поклонников Звездных войн (возможно, под влиянием Звездного пути) решили вскочить на подножку этого вагона, объявив, что зеленые и красные светящиеся разряды в Звездных войнах — это тоже плазменное оружие.

Но что же такое плазменное оружие? Для тех, кто еще не в курсе, плазма обычно описывается как четвертое состояние вещества (наряду с твердым, жидким и газообразным). Говоря более техническим языком, плазма — это ионизированный газ, т.е. газ, температура которого настолько высока, что электроны срывает с их атомных электронных оболочек (орбиталей). Наше земное Солнце преимущественно состоит из плазмы, которую также можно описать как горячий суп из свободно плавающих ядер и электронов. Из этого вполне логично вытекает, что плазменное оружие — это такое оружие, которое выпускает в цель плазменный разряд.

Однако оружие, стреляющее пучками частиц, состоящими из ионов, обычно именуют пучковым оружием, а не плазменным. В чем же разница между ними? Судя по всему, плазменное оружие главным образом основано на использовании тепла, т.е. внутренней энергии горячего плазмоида, которая и наносит повреждения цели при попадании. Пучковое же оружие использует поступательную кинетическую энергию ионного потока.

И действительно, в научной фантастике плазменное оружие обычно стреляет визуально-наблюдаемыми разрядами, которые движутся намного медленнее, чем должны были бы двигаться частицы горячей плазмы. Типичное для научной фантастики ручное плазменное оружие стреляет разрядом, который будет двигаться со скоростью не более 1 км/с, а иногда даже с дозвуковой скоростью, хотя даже относительно холодная плазма в 1 эВ будет иметь среднюю (среднеквадратичную) скорость частиц в 13,8 км/с для ядер и 593 км/с для электронов (предполагая равномерное распределение энергии). Это весьма существенное препятствие, ограничивающее эффективность оружия и являющее собой непостижимую особенность того, что мы видим на экранах. В самом деле, зачем нужно оружие, где скорости частиц рандомизированы в медленно движущемся удерживаемом сгустке, а не направляются вперед с большой скоростью, как это было бы в случае с пучком частиц? Представляется, что такое оружие имеет довольно незначительную проникающую способность по самой своей природе и, следовательно, достаточно малоэффективно (даже если бы оно вообще работало).

На экранах это оружие обладает еще одной интересной особенностью: на него, кажется, не воздействует гравитация. Это не какой-то малозначительный нюанс. Плотные объекты, такие как пули, в конечном счете падают на землю под действием силы тяжести, легкие же объекты, вроде наполненных гелием шаров, поднимаются в воздух из-за своей плавучести. Вряд ли вам доведется наблюдать падение пули, поскольку она слишком мала и обладает слишком большой скоростью, так что увидеть ее невооруженным глазом в полете затруднительно. Однако образуемая ею изогнутая кривая траектория вполне заметна и довольно значительна. Ну а в выстрелах плазменного оружия, которое можно увидеть в научной фантастике, мы этого не наблюдаем — разряды летят по прямой, точно к своей цели, словно гравитация вообще не существует. Можно было бы попытаться рационализировать это, допустив, что разряд имеет плотность воздуха, но в этом случае он имел бы аэродинамические свойства воздушного шара, наполненного холодным воздухом, т.е. весьма плохие.

Насколько эффективным могло бы быть плазменное оружие?

Отвечая кратко, на любой дистанции, где плазменному разряду потребуется больше тысячной доли секунды, чтобы достичь цели, работать оно будет не слишком хорошо. Видите ли, плазма распространяется очень быстро, и, в том числе поэтому, несмотря на то, что плазменные пушки вполне себе существуют в реальности[1][2] (например, их предлагали в качестве механизма для дозаправки плазмой термоядерных реакторов, построенных по принципу токамака с целью обеспечения их устойчивой работы), они никогда всерьез не рассматривались как перспективное оружие. Плазменные пушки могут стрелять плазмоидами, имеющими энергосодержание в диапазоне МДж, но такой сгусток не сможет сохранить свою целостность на сколь-нибудь приличной дистанции даже в вакууме, не говоря уж об атмосфере, где они буквально сталкиваются с виртуальной кирпичной стеной (атмосфера планет земного типа на уровне моря в миллиарды раз плотнее термоядерной плазмы). Можно попытаться увеличить дистанцию, подняв скорость выстреливания ионов из ствола (например, до релятивистской), но те плазменные разряды, что мы можем наблюдать в научной фантастике, явно движутся гораздо медленнее.

Хорошо, спросите вы, но почему тогда просто не изолировать плазму, удерживая ее чем-нибудь? Понятно, что плазмоид не может сдерживать себя сам, потому вам придется создать некое магическое сдерживающее поле, которое будет перемещаться вместе с разрядом и при этом не потребует никаких технических устройств для самоподдерживания. Но это лишь часть проблемы. Допустим, мы говорим о разряде длиной 1 метр, диаметром ½ см и мощностью 1 МДж (что примерно эквивалентно 4 унциям тротила[3]). Допустим, содержимое разряда — это плазмоид с энергией примерно 1 кэВ (около 8 миллионов K). Вам потребуется 6,24·1021 ионов, т.е. менее 0,01 грамма водородной плазмы. Сразу же возникает небольшая проблема: окружающий воздух во много раз плотнее такой плазмы, поэтому разряд будет стремиться всплыть из-за эффекта плавучести, а кроме того, ему потребуется какая-то система обеспечения движения, способная перемещать его по воздуху, поскольку собственного ничтожного импульса ему не хватит для того, чтобы преодолеть сопротивление среды. Обе эти проблемы можно решить, поигравшись со скоростью частиц. Обеспечив разряду достаточно высокую гиперзвуковую скорость, можно добиться того, что импульс будет достаточным для преодоления как эффекта плавучести, так и для увеличения дальности. Но поскольку такой разряд больше будет походить на пучок частиц, нежели на известный нам по научной фантастике движущийся сгусток плазмы, подобное решение неприменимо. Короче говоря, типичный научно-фантастический плазменный шар, имеющий дозвуковую или едва сверхзвуковую скорость, потребует наличия магического самосдерживающего поля, но даже при условии существования такового и при сохранении своей целостности, в воздухе он всё равно будет стремиться подняться вверх.

В общем, задайте себе вопрос: насколько хорошим оружием будет горячий паровой пистолет? Звучит не очень впечатляюще, правда? Вы сразу же представили себе облако пара, вырывающееся из ствола оружия и быстро рассеивающееся в воздухе. Ну а что же изменится, если заменить пар на плазму? Ведь плазма — это всего лишь очень горячий газ.

Можно ли заставить плазменное оружие работать?

Ладно, почему бы нам не попробовать решить проблему, используя плазму с гораздо меньшей энергией и повышенной плотностью? Мы могли бы попытаться решить проблему плавучести, сделав плазму холоднее (скажем, 1 эВ или 8000 K, что лишь немного горячее поверхности Солнца), что потребовало бы в тысячу раз больше ионов для того же объема, но даже в этом случае плотность плазмы всё равно была бы слишком низкой, чтобы двигать ее через атмосферу на одном лишь импульсе. Такая плазма не обязательно будет стремиться взлететь вверх, но попробуйте бросить в кого-то воздушным шаром, и вы увидите, насколько хорошо летает объект, имеющий плотность окружающей атмосферы, если попытаться попасть им в цель.

Если вы всё-таки непременно хотите двигать свой плазмоид через атмосферу за счет импульса, вам придется либо сделать его намного плотнее окружающего воздуха, либо же придать ему огромную начальную скорость, чего мы обычно не видим в научной фантастике (к тому же, это превратило бы плазмоид скорее в пучок частиц, переведя его в разряд пучкового, а не плазменного оружия). Хорошо, а что будет, если мы уменьшим объем и сделаем разряд таким же плотным, как и твердый снаряд? Проблему с перемещением в атмосфере вы этим решите, но теперь вам придется сделать разряд крошечным, а для этого его придется сжать под колоссальным давлением. Для сжатия плазмоида с энергией в 1 МДж до объема в 1 см3 (с применением закона идеального газа, являющегося хорошей моделью для плазмы) потребуется давление в диапазоне 700 ГПа! Если что, это в тысячу раз превышает предел текучести высококачественной стали. Теперь вы начинаете понимать проблему?

А сколько еще побочных проблем возникнет, когда просто для удержания вашего плазмоида требуется наличие самосдерживающего поля, в тысячу раз более прочного, чем сталь? Это порождает новые вопросы, уже касающиеся миростроительства: если цивилизация настолько развита, что без труда может создавать мощнейшие сдерживающие поля, которые еще и каким-то образом умудряются самоподдерживаться без помощи проекторных устройств, что же мешает такой цивилизации создать персональные щиты эквивалентной или большей мощности? Также можно было бы задаться вопросом, почему подобный разряд не светится как Солнце, ведь он горячее фотосферы звезды и при этом плотнее стали. Наконец, мы приходим к тому, что наша воображаемая плазменная пуля теперь имеет плотность большую, чем плотность алюминия, и должна вести себя подобно настоящей пуле. То есть она должна падать под действием силы тяжести. Хотя это, возможно, и не является непреодолимым препятствием для гипотетического научно-фантастического оружия, однако следует отметить, что на экранах мы не наблюдаем ничего похожего. Научно-фантастические разряды плазменного оружия не движутся по баллистическим кривым под действием силы тяжести.

В заключение стоит отметить, что сама идея медленно движущегося автономного плазмоида попросту лишена всякого смысла. Ваш снаряд постоянно будет пытаться разлететься на части на своем пути к цели и вам придется придумать какое-то невероятно сильное, но простое в управлении сдерживающее поле, чтобы заставить его сохранять целостность (что вызывает очевидные вопросы о том, почему подобная суперсдерживающая технология не используется для простой защиты от подобного оружия). Когда же разряд всё-таки достигнет цели и мифическое сдерживающее поле исчезнет, едва сдерживаемые им ионы быстро разлетятся во всех направлениях, тем самым тратя большую часть своей энергии, безвредно рассеиваясь в пространстве. Даже те ионы, которым всё же удастся достичь цели и удариться о ее поверхность, будут обладать весьма слабым проникающим действием. Большая часть их кинетической энергии носит рандомизированный характер, а не направлена вперед. Само же облако газа не обладает характеристиками, позволявшими бы ему пробить сплошную броню, а не просто нагреть ее поверхность. И, ко всему прочему, плазмоид не будет двигаться по прямой (как это показывают в научной фантастике). Он должен описывать нисходящую кривую под действием силы тяжести (подобно выстрелам 30-мм автоматической пушки российского БТР-80А в приводимом клипе).

Ладно, а что насчет плазменного оружия в космосе?

По понятным причинам проблемы, связанные с попытками двигать самоподдерживающийся сгусток плазмы через атмосферу, значительно уменьшаются в космосе. Однако, одновременно значительно возрастает потребность в энергии. Мощности плазменного оружия в научной фантастике обычно варьируются в диапазоне килотонн, мегатонн и выше. Такая мощность необходима, чтобы плазмоиды могли составить хоть какую-то конкуренцию обычным управляемым ракетам с ядерными боеголовками. Однако даже в этом случае плазменное оружие продолжает страдать от существенно возросших технических трудностей, связанных с особенностями поведения плазмоидов и необходимостью наличия мощных сдерживающих полей, не имея перед ракетами почти никаких преимуществ.

Давайте рассмотрим гипотетический плазмоид мощностью в 1 мегатонну и приблизительным объемом в 1 миллион м3 (что довольно много для плазменного взрыва и вполне сопоставимо с объемом небольшого звездолета). Если допустить, что мы используем водородную плазму со средней энергией частиц в 100 кэВ (это абсурдно высокая температура почти в 800 миллионов K), понадобится 2,6·1029 ионов (примерно 215 кг), чтобы на выходе получить искомую 1 мегатонну (4,2·1015 Дж). Используя закон идеального газа, мы устанавливаем, что давление в таком огромном объеме составит примерно 3 ГПа, что более чем в три раза превышает предел текучести качественной высокопрочной стали.

Короче говоря, атмосферные проблемы плазменного оружия лишь весьма незначительно упрощаются с выходом в космос. Вам по-прежнему требуется фантастически прочное силовое поле, чтобы удержать разряд плазмы в целостном виде (с ростом мощности плазменного оружия эти требования будут возрастать). И вы снова можете задать себе вопрос: почему же враг не использует схожее силовое поле, чтобы отразить ваш разряд при столкновении, если такие поля так легко создать? Кроме того, даже при условии наличия сверхмощного поля, не требующего никаких технических аппаратов для собственного поддержания, вы всё равно сталкиваетесь с проблемой рандомизации скоростей частиц, составляющих ваш плазмоид, из-за чего он обладает крайне скверной бронепробиваемостью. Наконец, если вы будете находиться близко к поверхности планеты, вы столкнетесь с проблемой воздействия гравитации на траекторию плазмоида. Все эти проблемы можно решить или облегчить, придав плазмоиду сверхвысокую скорость. Так, чтобы скорость его расширения (измеряемая десятками км/с) уступала поступательной скорости. Однако, здесь мы сталкиваемся с тем, что демонстрируемые нам на экране в научно-фантастических фильмах и сериалах сгустки движутся гораздо медленнее.

Так почему фантасты вообще используют плазменное оружие?

Да кто ж их знает. Спросите их об этом сами. Я подозреваю, что им кажется, будто термин плазменное оружие звучит круто. А кроме того, возможно, они просто не могут придумать ничего лучше (ирония научной фантастики заключается в том, что познания большинства современных ее авторов о науке и научных достижениях настолько поверхностны, что они вряд ли смогли бы закончить даже среднюю школу). Нравится нам это или нет, но такова реальность. Авторы неспособны даже задуматься над тем, что если их персонажи изобрели и могут использовать мощные силовые поля, чтобы обернуть ими плазмоид, заставив его летать в воздухе подобно твердому объекту, почему бы им не использовать эти же силовые поля для переноса чего-то более разрушительного, чем сгусток горячего газа? Например, небольшого заряда антиматерии.

Конечно, существует рациональный способ отображения плазменного оружия в научной фантастике, но он требует заменить медленно движущийся дискретный плазмоид на высокоскоростной пучок частиц.

А что следует фантастам использовать вместо этих плазмоидов?

На самом деле, почти всё, что угодно, будет работать лучше. Пушки, ракеты, бомбы, лазеры, пучки частиц (в особенности пучки нейтральных частиц, используемые нейтронными пушками, где проблема электромагнитного отталкивания не приводит к рассеиванию пучка, а попытки электромагнитного экранирования будут неэффективны) — всё это прекрасно работает и не требует таких фантастических обоснований, как магическое движущееся самоподдерживающееся поле, бросающее вызов гравитации и имеющее прочность, в тысячи раз превосходящую прочность стали. Однако все эти виды оружия хорошо известны читателям, а обыденность вызывает презрение у многих писателей-фантастов.

Забавные факты о плазме:

1. Плазма поверхности Солнца имеет температуру около 6000 K. Температура в ядре Солнца составляет около 15 миллионов K. Температура в центре молнии составляет около 50 миллионов K. Прогнозируемая температура плазмоида коммерчески жизнеспособного термоядерного реактора должна быть значительно выше 100 миллионов K. Сталь плавится при температуре 1810 K.

2. Свечение плазмы происходит в основном благодаря эффекту bremsstrahlung — тормозного излучения. Это процесс, при котором заряженные частицы рассеиваются или отклоняются при взаимодействии с другой материей. Теряя свою кинетическую энергию, они испускаются в виде фотонов. При наличии магнитных полей также возможно усиление процессов синхротронного или циклотронного излучения, поскольку заряженные частицы движутся вокруг силовых линий магнитного поля. Нормальное неионизированное вещество светится посредством линейного излучения, в результате чего захваченные электроны в более высоких энергетических состояниях переходят в более низкие энергетические состояния, испуская разницу в виде фотонов.

3. Частицы в типичной термоядерной плазме редко взаимодействуют из-за большой скорости частиц относительно диапазона и силы электромагнитных взаимодействий. Без какого-либо ограничения типичный ион, скорее всего, вырвется из плазмоида без рассеяния, не говоря уже о термоядерном синтезе. Фактически, средняя длина свободного пробега для 90° рассеяния в такой плазме составляет порядка нескольких десятков километров. Однако плазма может стать более столкновительной при экстремально высоком ограничивающем давлении (например, в ядрах звезд, где давление столь велико, что плазма сжимается до большей плотности, чем уран).

4. Плазмы очень близки к поведению идеальных газов, поэтому их можно моделировать с помощью закона идеального газа PV=NRT. Вы можете помнить закон идеального газа из школьных уроков физики, но если нет, он гласит, что произведение давления на объем для газообразного тела линейно коррелирует с его массой и температурой. Обратите внимание, что астрофизики предпочитают формулу P=nkT, где n — плотность частиц, а k — постоянная Больцмана.

5. Если дейтериевая плазма достигнет достаточно высокой плотности и температуры, произойдет ядерный синтез. Например, в гипотетической модели STARFIRE[4] (модель параметров производительности, теоретически требуемых для коммерчески жизнеспособного термоядерного реактора, а не фактическая рабочая конструкция), имеющей полную мощность в 3,51 ГВт, для центральной линии потребуется плотность плазмы в 1,69·1020 дейтронов на м3 (т.е. в среднем 0,806·1020 ДТ/м3) общим объемом 781 м3. Средние температуры электронов и дейтронов составляют 17,3 кэВ и 24,1 кэВ соответственно. Проще говоря, средняя плотность и температура дейтронов составляют 2,695·10-7 кг/м3 и 186 миллионов K соответственно. Другими словами, содержащий всего 0,0002 кг плазмы плазмоид STARFIRE заполнит объем, превышающий объем квартиры площадью в тысячу квадратных футов, несмотря на ограничивающее давление, превышающее 200 кПа. Однако и эти требования, какими бы сложными они ни казались, на самом деле существенно преувеличивают реальную вероятность синтеза в плазмоиде, основываясь на высокочистой плазме D-T[5]. Температура воспламенения для синтеза D-D[6] на целый порядок выше, чем для синтеза D-T, а требования для синтеза H-H[7] еще выше.

6. Плазменные горелки (плазмотроны) с электроприводом вполне себе существуют в реальной жизни, и некоторые из них даже достигают мегаваттного диапазона. Однако их удельная энергия ограничена плотностью самой плазмы, а потому они оказались пригодными для плавления твердых тел, но не для их испарения. Отсюда проистекает концепция термоядерной горелки, предложенная Истлэндом и Гофом, где плазма должна выбрасываться непосредственно из термоядерного реактора. В любом случае, плазменные горелки имеют чрезвычайно малую дальность действия из-за проблемы дисперсии.

7. Сечение реакции[8] кулоновского рассеяния при 10 кэВ составляет порядка 1·104 барн, тогда как сечение реакции синтеза D-T на том же уровне энергии составляет порядка 1·10-2 барн, т.е. в миллион раз меньше сечения реакции рассеяния[9]. А сечение реакции D-D-синтеза на этом уровне энергии будет еще на два порядка меньше! Иными словами, даже если ион дейтерия в типичной плазме с энергией 10 кэВ и пролетит несколько километров без кулоновского рассеяния, это всё равно будет в сто миллионов раз более вероятным, нежели его слияние с другим ионом дейтерия.

Что почитать по теме?

FinePlasma.org: сайт производителя плазменных режущих машин. Характеристики могут быть весьма интересными; например, одна из их машин может резать пластину из мягкой стали толщиной ½ дюйма со скоростью 100 дюймов в минуту и ​​шириной разреза в 0,03 дюйма, используя плазменный генератор мощностью 8,5 кВА. Несколько простых расчетов показывают, что плазменный резак мощностью 8,5 кВА позволяет уничтожать мягкую сталь со скоростью ~ 0,4 см3/с

BBC News: статья о применении плазменных пуль для микрохирургии глаза (очевидно, что для хирургии глаза большая дальность не требуется).

Janes Defense Weekly: статья о плазменном оружии (обратите внимание, что в ней в основном обсуждается использование гиперзвуковой плазмы самолетов в качестве лазерной среды, а не традиционных научно-фантастических плазменных пуль), а также затрагивается прекращенный проект высокоскоростной плазмы Shiva Star, целью которого было решение проблемы дальности для экстремальных скоростей порядка 10.000 км/с.

Introducing the Particle-Beam Weapon: статья д-ра Ричарда Робердса о возможности создания оружия, стреляющего пучками частиц (далеко не то же самое, что традиционные для научной фантастики плазменные пули, но тем не менее тема интересная как пример использования пучков частиц и ионных пушек). Обратите внимание, что механизм удержания атмосферной ионизации пинч-током, описанный в статье, может лишь задержать распад пучка, но не предотвратить его, если только пучок не будет нейтральным по заряду, что неприменимо к замкнутым дискретным плазмоидам; для этого потребуется непрерывный высокоскоростной поток.

Благодарности

• д-ру Кёртису Сакстону за общее обсуждение, а также полезные предложения и исправления;

• Эндрю Це за общее обсуждение;

• Адаму Герлсу за наводку на статью в Janes Defense Weekly;

• Уинстону Блейку за наводку на статью д-ра Р. Робердса.

Примечания

[1] Dolan, Thomas James. Fusion Research. Principles. Vol.3. Pergamon Press, 1982

[2] Карпухин, В.И., Саппа, Н.Н. Поддержание материального баланса плазмы инжекцией крупинок водорода. ХФТИ 80-26, 1980

[3] Т.е. примерно 0,24 кг тротила

[4] Baker, C.C. et al. STARFIRE — A Commercial Tokomak Fusion Power Plant Study / Nuclear Engineering and Design, Vol.63, 1981. PP.199-231

[5] Реакция дейтерий + тритий (топливо D-T) в рамках процесса управляемого термоядерного синтеза (УТС)

[6] Реакция дейтерий + дейтерий (монотопливо D-D) в рамках процесса управляемого термоядерного синтеза (УТС)

[7] Реакция водород + водород (топливо H-H) в рамках процесса управляемого термоядерного синтеза (УТС)

[8] Сечение реакции — величина, характеризующая вероятность взаимодействия элементарной частицы с атомным ядром или другой частицей. Измеряется в барнах (1 барн = 10-28 м2)

[9] Gross, Robert A. Fusion Power. John Wiley & Sons, 1984