Om pogingen om Amerikaanse elektriciteitsbedrijven uit te schakelen af ​​te schrikken en om Amerikaanse kernwapensystemen te beschermen tegen zich ontwikkelende technologische bedreigingen, Sandia National Laboratories is begonnen met twee meerjarige initiatieven om de Amerikaanse respons te versterken.

De ene is gericht op het verdedigen van grote Amerikaanse elektriciteitsvoorzieningssystemen tegen mogelijke aanvallen door vijandige landen, evenals van schade toegebracht door extreme natuurrampen zoals orkanen en zonnevlammen. De campagne Resilient Energy Systems, een meerjarige onderzoeksportfolio met een totale financiering tot $ 40 miljoen, wordt ondersteund door Sandia's Laboratory Directed Research and Development-programma, waarmee verkennend werk op het gebied van wetenschap en technologie wordt gefinancierd.

"Het oorspronkelijke elektriciteitsnet is niet ontworpen met het oog op beveiliging tegen cyberhacks, of bescherming tegen elektromagnetische storingen, of natuurrampen zoals orkanen of geomagnetische zonnestormen, ', aldus portefeuillemanager Craig Lawton.

"Het primaire doel van onze missieportfolio is het verminderen van kwetsbaarheden veroorzaakt door verouderde technologie in transformatoren en andere componenten. Oplossingen vereisen onderzoek, en we zijn op zoek naar collectieve input van ideeën van onderzoekers in de industrie, nutsbedrijven, universiteiten, andere labs en natuurlijk Sandia, " hij zei.

Agressie afschrikken door wapensystemen te updaten

De tweede onderzoekscampagne is het ontwikkelen van technische mogelijkheden om de VS te helpen hun strategische nucleaire afschrikking te behouden.

De onderzoekscampagne Assured Survivability and Agility with Pulsed Power is een meerjarige portefeuille met een totale financiering tot $ 40 miljoen, opnieuw door Sandia's LDRD-programma. Het missieportfolio is bedoeld om technologieën te verkennen die korte maar krachtige uitbarstingen van elektrische energie gebruiken om nucleaire explosies te simuleren - zonder toevlucht te nemen tot echte kernproeven - om hun impact op elektronica en materialen beter te begrijpen.

"Onze kernwapensystemen zijn relatief statisch geweest, terwijl de capaciteiten en technologieën die door onze potentiële tegenstanders worden gebruikt in een snel tempo evolueren, " zei Sandia-natuurkundige Kyle Peterson, die de missie heeft ontwikkeld en geleid. "We moeten wendbaarder zijn in het identificeren van potentiële bedreigingen om een ​​effectief afschrikmiddel tegen vijandige militaire acties te behouden.

"We staan ​​open voor en hopen op, input van onderzoekers in de industrie, universiteiten en andere nationale laboratoria, evenals Sandia om ideeën bij te dragen en hieraan te werken, ' zei Peterson.

Bijkomende voordelen van beide missieportfolio's zijn naar verwachting een efficiëntere opwekking van elektriciteit, nauwkeurigere gegevens voor astrofysici, en een nauwere benadering van break-even en zelfs high-yield fusie, die elektrische energie kan genereren door atomen te fuseren - een doel van een tak van de natuurkunde gedurende 70 jaar.

De veerkracht van Amerikaanse nutsbedrijven verbeteren

Er is ruimte voor verbetering in de bescherming van het Amerikaanse energiesysteem, zei Lawton.

"Onze elektrische opwekkingssystemen zijn misschien kwetsbaarder dan we zouden willen, " hij zei.

"Veel van deze werden gebouwd in eenvoudiger tijden, sommige rond het begin van de 20e eeuw. Hoewel opmerkelijk duurzaam, sindsdien zijn ze bedekt met complexe computerbesturingssystemen om te helpen bij het reageren op de gecompliceerde eisen van vandaag."

Deze computersystemen, hij zegt, kwetsbaar zijn voor cyberhacking waardoor ze kunnen worden gewijzigd of uitgeschakeld, potentieel verstorende stroom naar grote geografische gebieden.

"Elektriciteit regelt bijna alles in de moderne samenleving, " zei Lawton. "Zonder dat, eten gaat slecht, ziekenhuizen kunnen niet functioneren, creditcards werken niet. Dammen die voorgeschreven hoeveelheden water- en gasleidingen uitlaten, werken autonoom door middel van codes."

Naast kwaadwillig gecreëerde computerproblemen, "schade door natuurlijk voorkomende bedreigingen, zoals orkanen, kan problemen veroorzaken die zich gedurende lange tijd kunnen uitstrekken als vervangende onderdelen niet direct beschikbaar zijn, " hij zei.

Terwijl grote nutsbedrijven al bliksemafleiders hebben om blikseminslagen te verminderen, en zeer efficiënte bliksemafleiders, "ze werken niet snel genoeg om een ​​nanoseconde elektromagnetische golf op te vangen van een kernwapen dat hoog in de atmosfeer is geëxplodeerd." De elektromagnetische puls kan onbeschermde circuits doen frituren, hij zei.

Terwijl nutsbedrijven noodplannen moeten hebben om stroom te leveren als een generator in een groot systeem uitvalt, er is geen voorbereide reactie als ze veel generatoren tegelijk verliezen, hij zei.

"Dit zijn enkele van de problemen waarvan we verwachten dat onze aanstaande werkzaamheden zullen verminderen, " zei Lawton. "Wij geloven dat ideeën die worden voorgesteld om onze elektrische veiligheid te vergroten, afkomstig zullen zijn van Sandia en andere nationale laboratoria, universiteiten en de nutsbedrijven zelf."

Het intense rijk van ASAP

Een van de militaire problemen die een tegenstander kan opleveren, zijn meer capabele wapensystemen en technologie die bedoeld is om een ​​Amerikaanse raket in de war te brengen en te voorkomen dat deze zijn doel bereikt. De verzekerde overlevingskans en behendigheid met pulserende kracht, ZSM, campagne zal investeren in wetenschap en technologie die nodig is om ervoor te zorgen dat "de Amerikaanse militaire doelstellingen zullen worden bereikt in het geval dat de afschrikking faalt, ' zei Peterson.

Verdere studie van korte sterke stroomstootjes is nodig om dat doel te helpen bereiken. Versnellers met pulserend vermogen slaan energie op en geven deze in krachtige uitbarstingen af. Die kunnen worden omgezet in röntgenstralen en neutronen om te worden gebruikt als een laboratoriumversie van een echte bomexplosie om te beoordelen hoe nucleaire en conventionele wapensystemen zouden reageren als ze aan die omgevingen zouden worden blootgesteld.

Sandia gebruikt pulserende energietechnologie in een aantal verschillende faciliteiten:Saturnus, Hermes en Z - en ontwikkelt momenteel voorstellen om enkele van deze mogelijkheden te verbeteren.

Een daarvan is wapensystemen met gerichte energie, zei Peterson. Pulsen van pure energie zouden pelotons van oprukkende soldaten kunnen afschrikken door ze onaangenaam warm te maken. Gefocust op een smallere straal, ze kunnen worden gebruikt om binnenkomende raketten bijna onmiddellijk neer te schieten.

Er is een drastisch verbeterde opvolger van de Z-faciliteit voorgesteld die 10 keer de energie-output van Z zou leveren:een elektrische puls van petawatt (quadrillion watt).

zei Peterson, "Dit zou ongekende hoeveelheden röntgenstralen en neutronen creëren, maar liefst tienduizenden meer neutronen dan momenteel door Z worden gegenereerd." Z is nu al 's werelds krachtigste generator van röntgenstralen.

"We hebben jarenlang petawatt-lasers gezien, " vervolgde hij. "Dit zou de eerste versneller zijn die een petawatt aan elektrisch vermogen levert en met veel grotere energieën dan lasers kunnen genereren."

Echter, to realize such a facility and other advances, the ASAP research campaign is needed to develop better understanding of basic support issues like high voltages and current delivery, electrical breakdowns and how to prevent them, more efficient and reliable capacitors and switches, and new materials for delivering petawatts of electrical power.

Such basic engineering research will do a lot for science, said Peterson. "It would enable better astrophysics experiments, create higher temperatures and pressures for material science, and higher fidelity environments for radiation effects testing on electronics and materials."

Also significant would be creating tools to manage the debris from repeated experiments from an improved Z that each would generate the energy equivalent of more than 20 sticks of dynamite exploding in nanoseconds in a tiny enclosed space.

"If a Z successor were built without improvements in its underlying support structure, its first firing would be a lot easier to achieve than its second, " said Peterson.

He's looking for ideas from qualified researchers to help the mission succeed in its aim of improving national security.