¿Qué tan poderoso debe ser un cañón láser orbital?

Así que no soy un científico espacial, pero aquí va. Gran parte de esto se extrae descaradamente del Proyecto Rho.

Primero, ignoremos la difracción causada al atravesar la atmósfera terrestre para lo siguiente. También asumo que estás hablando de un láser real, no de un arma de partículas, un blaster o alguna otra variante.

Una idea general para comenzar es que, para el ejército de los EE. UU., el umbral mínimo para un láser apto para armas tácticas es de 100 kilovatios.

El alcance máximo será de unos cientos de miles de kilómetros, de lo contrario, casi todos los disparos fallarán debido al retraso de la velocidad de la luz, a menos que estemos disparando a objetivos que no se mueven.

Primero calculamos el ángulo de divergencia del haz θ (θ = 1.22 L/RL)

$θ = beam divergence angle (radians)$
$L = wavelength of laser beam (m, see table above)$
$RL = radius of laser lens or reflector (m)$

Lo siguiente es la potencia del haz BP, luego calcula la intensidad del haz en el objetivo (el "brillo" del haz):

$BPT = Beam intensity at target (megawatts per square meter)$
$BP = Beam Power at laser aperture (megawatts)$
$D = range to target (meters)$
$θ = Theta = Beam divergence angle (radians or degrees depending on your Tan() function)$
$π = Pi = 3.14159...$

La siguiente ecuación será de utilidad para determinar la difracción:

dónde:

$R_T$= radio del haz en el objetivo (m)
$D$= distancia del emisor láser al objetivo (m)
$L$= longitud de onda del rayo láser (m, ver tabla a continuación)
$R_L$= radio de la lente láser o reflector (m)

En cuanto a las longitudes de onda del láser:

• Infrarrojo cercano 2.5$\times$10 ^-6 a 7.5$\times$10 ^-7 m (2500 a 750 nanómetros)
• rojo 7.5$\times$10 ^-7 a 6.2$\times$10 ^-7 m (750 a 620 nanómetros)
• Naranja 6.2$\times$10 ^-7 a 5,9$\times$10 ^-7 m (620 a 590 nanómetros)
• Amarillo 5.9$\times$10 ^-7 a 5,7$\times$10 ^-7 m (590 a 570 nanómetros)
• Verde 5.7$\times$10 ^-7 a 4,95$\times$10 ^-7 m (570 a 495 nanómetros)
• Azul 4.95$\times$10 ^-7 a 4.5$\times$10 ^-7 m (495 a 450 nanómetros)
• Índigo 4.5$\times$10 ^-7 a 4.2$\times$10 ^-7 m (450 a 420 nanómetros)
• Violeta 4.2$\times$10 ^-7 a 3.8$\times$10 ^-7 m (420 a 380 nanómetros)
• Ultravioleta A 4$\times$10 ^-7 a 3.15$\times$10 ^-7 m (400 a 315 nanómetros)
• Ultravioleta B 3.15$\times$10 ^-7 a 2.8$\times$10 ^-7 m (315 a 280 nanómetros)
• Ultravioleta extremo 1$\times$10 ^-7 a 1$\times$10 ^-8 m (100 a 10 nanómetros)

Por debajo del ultravioleta extremo, no puede usar el láser fuera del vacío del espacio ya que la atmósfera lo absorbería, por lo que podemos ignorarlos.

Un ejemplo de cómo funciona esto es el siguiente:

Digamos que tiene un cañón láser ultravioleta (20 nanómetros) con una lente de 3,2 metros. Tu desafortunado objetivo está a una distancia de 12.900 kilómetros (12.900.000 metros). La ecuación del radio del haz dice que el radio del haz en el objetivo será de unos 4 centímetros (0,04 metros), por lo que el haz irradiará unos 50 cm2 de la piel del objetivo (área del círculo con un radio de 4 centímetros). Si el desventurado objetivo tenía un casco de armadura de acero, la armadura tiene un calor de vaporización de unos 60 kilojulios/cm3. Digamos que la armadura tiene un grosor de 12,5 cm. Entonces, para que el cañón láser haga un agujero en la armadura, tendrá que quitar unos 625 cm3 de acero (volumen del cilindro con un radio de 4 cm y una altura de 12,5 cm). 625 * 60 = 37.500 kilojulios. Si el pulso del láser es de un segundo, significa que el haz requiere un nivel de potencia de 37 500 vatios o 38 megavatios en el objetivo.

Una nota: el uso de un láser pulsado en lugar de un solo haz enfocado requeriría menos energía, en efecto, perforando el objetivo en lugar de tratar de vaporizarlo.

Ahora, aparte de todo eso, está generando una gran cantidad de calor residual que requerirá disipación, pero eso es un problema adicional.

También hay una calculadora de fabricante de láser ordenada aquí que recomendaría para aquellos que no saben matemáticas.

También para leer la fuente de esta información, puede encontrarla aquí .

1 vatio segundo es un julio, así que usaré J en lugar de W/seg.

Para ser preciso, debe determinar qué es una definición de destruir. Por ejemplo, quemar a una persona podría significar incapacitar por quemaduras de segundo o tercer grado de gran parte del cuerpo, o podría significar convertirla en cenizas.

Los datos publicados de las pruebas atómicas sugirieron que 8-10 cal / cm ^ 2 es suficiente para causar quemaduras de tercer grado en la carne sin protección. 10 cal/cm^2 son unos 420 KJ/m^2. Un adulto promedio tiene alrededor de 2 metros cuadrados de piel, pero como solo puede irradiar 1 lado, debe conformarse con quemar un lado de una persona, por lo que 400 KJ uno de los objetivos incapacitará a un humano. Sin tratamiento médico, las quemaduras de tercer grado en más del 50 % del cuerpo suelen ser fatales debido al shock, la pérdida de líquidos y la infección. Para garantizar realmente una muerte, necesita más potencia en el objetivo, por supuesto, 10 MJ probablemente sea suficiente y su ropa también se incendiará, anulando las formas más comunes de protección al aire libre.

Prender fuego a las maderas duras requiere aproximadamente 1 MJ / m ^ 2, esto sería suficiente para muchas casas, pero un techo de roca blanca triturada no se vería afectado en su mayoría, tal vez 10 MJ / m ^ 2 serían suficientes: 200 metros cuadrados incluirían la mayoría de las casas. entonces necesita 2000 MJ o 2GJ en el objetivo.

Un coche de nuevo es difícil determinar lo destruido que requiere. A diferencia de los coches de la tele para que no se incendien ni exploten a la menor provocación. Para incapacitar temporalmente a un automóvil a través del láser espacial, el objetivo más suave probablemente sean las llantas, no pude encontrar datos directos, pero sospecho que 1 MJ / m ^ 2 encendería las llantas la mayor parte del tiempo, pero dado que las llantas a menudo están protegidas por el vehículo, a menudo no se incendiarían hasta mucho más allá de este punto y, en cualquier caso, podría arreglarlo fácilmente. Para destruir un automóvil, debe calentarlo lo suficiente como para destruir componentes vitales como el cableado eléctrico o las correas del motor, aunque las correas se reemplazan fácilmente. Creo que si puede calentar el automóvil a 500 C, destruirá la mayor parte del cableado y otros componentes blandos (sellos, etc.). Entonces, cuánta energía para aumentar la temperatura de un automóvil en 500 C (podría ser invierno). El peso en vacío en un nuevo Ford Exposition es de hasta aproximadamente 6000 lb, como una aproximación de primer orden, modelemos esto como 2720 kg de hierro. El hierro tiene una capacidad calorífica de 0,45 J/g/grado. Entonces 2720 kg * 1000 g/kg * 500 grados = 612 MJ en el objetivo.

Los tanques se parecen mucho a los automóviles, por lo que usaré suposiciones similares, pero necesitaré 800 grados y 63 000 kg (Leopold 2) y necesitaré alrededor de 22,7 GJ en el objetivo.

Edificio de oficinas. Probablemente ladrillo, piedra, acero en la construcción. Nuevamente, ¿cuánto es suficiente para considerarlo destruido? Si realmente quiere estar seguro, debe errar por el lado alto. El edificio Empire State utilizó 60.000 toneladas de acero, 200.000 pies cúbicos de piedra caliza y granito, 10 millones de ladrillos y 730 toneladas de aluminio y acero inoxidable. Para simplificar, asumiré 200,000 pies cúbicos de piedra caliza e ignoraré los ladrillos y el aluminio. ¿Cuánto pesa el granito alrededor de 2,75 g/cm^3 y una capacidad calorífica de 0,19 J/g/grado? Masa total de granito 15.600 toneladas largas. Para un aumento de temperatura de 500 grados necesito 13.500 GJ para el acero más 1.482 GJ para el granito o alrededor de 15 TJ para derribar el Empire State Building. De hecho, en este caso no se calientan los pisos inferiores, ya que los pisos superiores absorben casi todo el calor. Un pulso de 1 segundo necesitaría esencialmente vaporizar la parte superior del edificio para destruirlo. Pero eso ni siquiera es suficiente, ya que la propia nube de vapor absorbería y dispersaría un gran porcentaje de la explosión del láser. Sin embargo, mil veces podría ser suficiente.

Una pequeña ciudad, nuevamente cuál es el umbral de la destrucción, y qué tan grande es esto. Me crié en Columbus, Indiana, así que me parece un buen modelo. Columbus IN, población 44.061 (censo de 2010). Superficie 72,23 km2. Aumento de temperatura de 500 grados y destrucción de acero y hormigón (para sacar todos los edificios). Simplemente volveré a la energía por unidad, suponiendo que 100 MJ por metro cuadrado sean suficientes para eliminar todo (100 veces la energía para encender madera dura). 100.000.000 MJ / m^2 * 72.230.000 m^2 = 7,223 PJ -- petajoules en el objetivo.

No hace falta decir que no hay confirmaciones experimentales de la atenuación del haz que se encontraría disparando desde la órbita a objetivos de superficie, ciertamente nada que se acerque a estos niveles de energía. Sin embargo, encontré tablas de atenuación atmosférica láser para LTAS. Sin pasar por la justificación en esto, creo que necesitaría entre 20 y 50 veces más luz en la fuente para atravesar la atmósfera de manera confiable que en el objetivo. Todavía no he realizado cálculos más detallados para confirmar esto. Entonces, tome todas las cantidades anteriores y multiplíquelas por 50 si desea poder destruir objetivos con una certeza razonable. Esto se basa en las malas condiciones climáticas. En el mejor de los casos, pero con condiciones climáticas aún realistas, parecería que solo necesita de 5 a 10 veces la energía del objetivo en la fuente.

Los niveles de energía más altos merecen una mayor precisión ya que hay muchos efectos no lineales y probablemente clasificados que sin duda entran en juego.

También estoy subestimando el poder real requerido porque generalmente ignoré el hecho de que para todo, excepto el caso humano desprotegido, el objetivo se extirpará. Las capas superficiales se cocinarán convirtiéndose en gas y llevándose consigo gran parte del calor entrante, y continuarán absorbiendo y dispersando la luz láser entrante. Generalmente también ignoro el hecho de que el objetivo reflejará parte de la luz láser, cuando puede reflejar al menos parte de la luz entrante. En la mayoría de estos niveles de energía, un espejo no brindará protección, al menos no por mucho tiempo, ya que incluso un buen espejo absorberá suficiente energía para ser destruido rápidamente.

Estos niveles de poder son más que ridículos. Para todo lo que sea más grande que un automóvil, la potencia en el objetivo supera incluso a la de las estaciones de generación eléctrica más grandes. Todo Estados Unidos solo tiene una capacidad eléctrica de 1060 GW.

Para nuestras quemaduras simples de tercer grado en un solo ser humano, 1 MJ en el objetivo requiere un mínimo de 5 veces más en la fuente y 5 veces más para la pérdida de conversión eléctrica a energía láser, es decir, 25 MJ. Una comparación común es que 1 MW alimentará 1000 hogares, por lo que 25 MW es más de la mitad de la energía necesaria para abastecer a Columbus Indiana solo para incapacitar a 1 persona.

Usar condensadores para almacenar un rayo del cielo puede parecer una buena idea, pero sus requisitos eclipsan a los condensadores estándar. El banco de capacitores más grande del mundo es de solo 50 MJ , construido a un costo de 10 millones de euros

En algún momento durante su fase de construcción, la gente se preguntará qué está construyendo y se motivará para poner fin a su malvado plan.

La mayoría de los factores numéricos se han tenido en cuenta, pero hay algunas otras cosas que debe tener en cuenta en su fortaleza orbital.

Impulsar toda esa energía a través de la atmósfera, incluso en longitudes de onda de "ventana", hará que se deposite una gran cantidad de energía en la atmósfera. Hasta cierto punto, el florecimiento térmico inicial y otros efectos de distorsión pueden explicarse utilizando "óptica adaptativa" (también conocida como "espejo de goma") que se flexiona para compensar los efectos atmosféricos. En niveles de energía más altos, como los necesarios para quemar objetivos endurecidos como tanques, la cantidad de energía podría hacer que las moléculas de aire se disocien fácilmente en plasma, bloqueando el haz por completo a medida que el plasma absorbe la energía y la irradia como luz y calor incoherentes. Afortunadamente, dado que está en órbita, se perderá el peor efecto del plasma que vuelve a subir por el haz hasta el emisor y deposita la energía en el espejo.

La segunda consideración es que los láseres en general tienen eficiencias de conversión muy bajas, por lo que si necesita hasta 5 veces la potencia real del haz como energía de entrada para su sistema láser. Esto también significa que se unirá para lidiar con cantidades increíbles de calor residual, por lo que su estación espacial estará dominada por el sistema de energía y una gran variedad de radiadores. Incluso a 400 km de altitud, el mero tamaño de todo esto podría causar suficiente arrastre atmosférico para sacarlo de órbita. La masa de todas las cosas también hará que su estación espacial sea virtualmente inmóvil en términos de maniobras orbitales, por lo que las personas que se oponen a ser lanzadas con láser desde la órbita no tendrán mucha dificultad para enviar nubes de cojinetes de bolas o incluso arena en el camino orbital del estación espacial, lo que significa que incluso con la impresionante arma láser, podría ser destruida.

Ahora, el arma láser más impresionante que he visto descrita también está en el sitio web de Atomic Rockets ( http://www.projectrho.com/public_html/rocket/spacegunconvent.php); el Ravening Beam of Death (RBoD), que utiliza un anillo acelerador de un kilómetro de diámetro para alimentar un láser de electrones libres (FEL) capaz de vaporizar metal, cerámica y fibra de carbono a un segundo luz de distancia en milisegundos, y no creo que eso tenga la niveles de energía descritos para vaporizar pueblos enteros en un solo disparo. Pero proporciona una alternativa, ya que un segundo luz es casi la distancia de la Tierra a la Luna (y el rayo en sí mismo es peligroso mucho más allá, un segundo luz se elige arbitrariamente para que la orientación sea receptiva, ya que ningún objetivo puede moverse muy lejos en un solo segundo o los dos segundos necesarios para ver el efecto del tiro y corregir).

Así que instala tu fortaleza en la Luna, dispara pulsos cortos de energía láser en lugar de haces largos, y recuerda permitir que la energía arrojada a la atmósfera se disipe entre disparos.

El mayor problema para su láser de la muerte será la atmósfera. Como señaló Tucídides, incluso en longitudes de onda elegidas específicamente para no interactuar con la atmósfera, una parte considerable de su poder se transferirá al aire. Si su láser es lo suficientemente potente como para perforar la armadura de un tanque (como lo resolvió Gary Walker), entonces el haz debe ser de aproximadamente 22 GJ * 20 (atenuación mínima) o 440 GJ. Supongamos que pasan 40 GJ de energía y el resto se pierde en la atmósfera, por lo que se bombean 400 GJ a la atmósfera. Un rayo emite de 1 a 10 GJ y convierte la atmósfera en plasma sobrecalentado en una fracción de segundo. No estoy seguro de cuál será la tasa de flujo de energía para su láser, dado el gradiente de presión atmosférica, la distorsión, la difracción y otros efectos, pero creo que es

Estás viendo densidades de energía que pueden romper las moléculas de agua y luego prenderles fuego, ionizar el aire y, en general, hacer todo tipo de cosas malas en el medio por el que estás tratando de pasar el rayo láser. Si el láser hace que sea más difícil empujar el rayo hacia el objetivo, tendrá que bombear más energía para golpear, lo que hará que sucedan cosas aún peores, hasta convertir el aire en plasma y literalmente expulsarlo. del camino con el fin de hacer un camino para que el rayo láser viaje a través. Esto prende fuego a muchas otras cosas también.

En esencia: esta arma no será precisa, requerirá una fuente de energía impía y, en general, es horrible intentar construirla sin que nadie se dé cuenta.

O... Podrías simplemente dejar caer trozos de tungsteno recubiertos de cerámica con algunos paquetes de guía en ellos... Desde tu altitud podrías destruir una ciudad con algo del tamaño de un automóvil, un tanque con una torre de computadora y una persona ( y sus compañeros) con una mandarina...