Een onderzoekssamenwerking tussen Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) en het Air Force Institute of Technology (AFIT) onderzoekt hoe de neutronenenergie-output van een detonatie van een nucleair apparaat de afbuiging van een asteroïde kan beïnvloeden.

Wetenschappers vergeleken de resulterende asteroïde afbuiging van twee verschillende neutronenenergiebronnen, vertegenwoordiger van splijting en fusie-neutronen, waardoor vergelijkingen naast elkaar mogelijk zijn. Het doel was om te begrijpen welke neutronenenergieën die vrijkomen bij een nucleaire explosie beter zijn voor het afbuigen van een asteroïde en waarom, mogelijk de weg vrijmaken voor geoptimaliseerde doorbuigingsprestaties.

Het werk is te zien in Acta Astronautica en werd geleid door Lansing Horan IV, als onderdeel van een samenwerking met LLNL's Planetary Defense en Weapon Output-groepen tijdens zijn masterprogramma nucleaire engineering bij AFIT. Co-auteurs van LLNL zijn onder meer Megan Bruck Syal en Joseph Wasem van het hoofddirectoraat Weapons and Complex Integration van LLNL, en de co-auteurs van AFIT zijn onder meer Darren Holland en Maj. James Bevins.

Horan zei dat het onderzoeksteam zich concentreerde op de neutronenstraling van een nucleaire ontploffing, omdat neutronen doordringender kunnen zijn dan röntgenstralen.

"Dit betekent dat een neutronenopbrengst mogelijk grotere hoeveelheden asteroïde oppervlaktemateriaal kan verwarmen, en daarom effectiever zijn voor het afbuigen van asteroïden dan een röntgenopbrengst, " hij zei.

Neutronen van verschillende energieën kunnen interageren met hetzelfde materiaal via verschillende interactiemechanismen. Door de verdeling en intensiteit van de afgezette energie te veranderen, de resulterende asteroïde afbuiging kan ook worden beïnvloed.

Het onderzoek toont aan dat de energiedepositieprofielen, die de ruimtelijke locaties op en onder het gekromde oppervlak van de asteroïde in kaart brengen, waar energie wordt afgezet in verschillende distributies - kan behoorlijk verschillen tussen de twee neutronenenergieën die in dit werk werden vergeleken. Wanneer de afgezette energie anders wordt verdeeld in de asteroïde, dit betekent dat het gesmolten/verdampte afblaasafval kan veranderen in hoeveelheid en snelheid, dat is wat uiteindelijk de resulterende snelheidsverandering van de asteroïde bepaalt.

Een asteroïde verslaan

Horan zei dat er twee basisopties zijn bij het verslaan van een asteroïde:verstoring of afbuiging.

Verstoring is de benadering van het geven van zoveel energie aan de asteroïde dat deze krachtig wordt verbrijzeld in vele fragmenten die met extreme snelheden bewegen.

"Uit eerder onderzoek bleek dat meer dan 99,5 procent van de massa van de oorspronkelijke asteroïde de aarde zou missen, " zei hij. "Dit verstoringspad zou waarschijnlijk worden overwogen als de waarschuwingstijd voor een asteroïde-impact kort is en/of de asteroïde relatief klein is."

Doorbuiging is de zachtere benadering, waarbij een kleinere hoeveelheid energie aan de asteroïde wordt gegeven, het object intact houden en het met een licht gewijzigde snelheid in een iets andere baan duwen.

"Overuren, met vele jaren voorafgaand aan de impact, zelfs een minuscule snelheidsverandering kan optellen tot een ontbrekende afstand van de aarde, "Zei Horan. "Doorbuiging zou over het algemeen de voorkeur kunnen hebben als de veiligere en meer 'elegante' optie, als we voldoende waarschuwingstijd hebben om dit soort reactie uit te voeren. Daarom was ons werk gericht op doorbuiging."

Energiedepositie verbinden met asteroïde respons

Het werk werd uitgevoerd in twee primaire fasen, waaronder depositie van neutronenenergie en de afbuigingsrespons van asteroïden.

Voor de energiedepositiefase, De Monte Carlo N-Particle (MCNP) stralingstransportcode van Los Alamos National Laboratory werd gebruikt om alle verschillende casestudies te simuleren die in dit onderzoek werden vergeleken. MCNP simuleerde een impasse detonatie van neutronen die uitstraalden naar een bolvormige asteroïde van 300 m SiO2 (siliciumoxide). De asteroïde werd gedeeld door honderden concentrische bollen en ingekapselde kegels om honderdduizenden cellen te vormen, en energiedepositie werd geteld en gevolgd voor elke individuele cel om de energiedepositieprofielen of ruimtelijke verdelingen van energie door de asteroïde te genereren.

Voor de asteroïde afbuigingsfase, De 2D- en 3D-arbitraire Lagrangian-Euleriaanse (ALE3D) hydrodynamische code van LLNL werd gebruikt om de reactie van het asteroïdemateriaal op de beschouwde energiedeposities te simuleren. De door MCNP gegenereerde energiedepositieprofielen werden geïmporteerd en in kaart gebracht in de ALE3D-asteroïde om de simulaties te initialiseren. De resulterende verandering van de afbuigsnelheid werd verkregen voor verschillende configuraties van neutronenopbrengsten en neutronenenergieën, waardoor het effect van de neutronenenergie op de resulterende afbuiging kan worden gekwantificeerd.

Een kleine stap voor doorbuiging

Horan zei dat het werk een kleine stap voorwaarts is voor simulaties van nucleaire afbuiging.

"Een uiteindelijk doel zou zijn om het optimale neutronenenergiespectrum te bepalen, de verspreiding van neutronenenergie-outputs die hun energie op de meest ideale manier deponeren om de resulterende snelheidsverandering of afbuiging te maximaliseren, " zei hij. "Dit artikel onthult dat de specifieke neutronenenergieoutput de asteroïde-afbuigingsprestaties kan beïnvloeden, en waarom dit gebeurt, dienen als een opstap naar het grotere doel."

Horan zei dat het onderzoek aantoonde dat precisie en nauwkeurigheid in de energiedepositiegegevens belangrijk zijn. "Als de invoer van energiedepositie onjuist is, we zouden niet veel vertrouwen moeten hebben in de output van de asteroïde-afbuiging, " zei hij. "We weten nu dat het profiel van de energiedepositie het belangrijkst is voor grote opbrengsten die zouden worden gebruikt om grote asteroïden af ​​te buigen."

Hij zei dat als er een plan zou zijn om een ​​grote inkomende asteroïde te verminderen, the energy deposition spatial profile should be accounted for to correctly model the expected asteroid velocity change.

"Anderzijds, the energy coupling efficiency is always important to consider, even for low yields against small asteroids, " he said. "We found that the energy deposition magnitude is the factor that most strongly predicts the overall asteroid deflection, influencing the final velocity change more than the spatial distribution does."

For planning an asteroid mitigation mission, it will be necessary to account for these energy parameters to have correct simulations and expectations.

"It is important that we further research and understand all asteroid mitigation technologies in order to maximize the tools in our toolkit, " Horan said. "In certain scenarios, using a nuclear device to deflect an asteroid would come with several advantages over non-nuclear alternatives. In feite, if the warning time is short and/or the incident asteroid is large, a nuclear explosive might be our only practical option for deflection and/or disruption."