Een groot team van Russische onderzoekers van Rosatom, samen met drie MIPT-fysici, heeft de impact van een nucleaire explosie op een aardebedreigende asteroïde gemodelleerd. Ze maakten miniatuurasteroïden en schoten ze op met een laser. De in dit onderzoek ontwikkelde modelleringstechniek is een manier om criteria voor de vernietiging van asteroïden experimenteel te evalueren, zoals de explosie-energie die nodig is om een ​​gevaarlijk object op een ramkoers met de aarde te elimineren. De Engelse vertaling van de paper waarin de resultaten worden gerapporteerd, zal verschijnen in het komende nummer van de Journal of Experimental and Theoretical Physics .

Asteroïden zijn hemellichamen die bestaan ​​uit koolstof, silicium, metaal, en soms ijs. Wetenschappers classificeren objecten groter dan 1 meter meestal als asteroïden, hoewel deze ondergrens wordt betwist. Aan de andere kant van de schaal, asteroïden worden zo groot als 900 kilometer breed. Reizen met 20 kilometer per seconde, zulke reuzen vormen een dreiging om al het leven op aarde uit te wissen.

Er zijn twee basisopties als het gaat om het beschermen van de planeet tegen een botsing met een asteroïde:het moet worden afgebogen of in stukken worden geblazen, waarvan de meeste de aarde volledig zullen missen of opbranden in de atmosfeer. De auteurs van het artikel onderzochten de tweede optie door de effecten te modelleren van een krachtige schokgolf die vrijkwam bij een nucleaire explosie op het oppervlak van de asteroïde. Het onderzoeksteam toonde aan dat een korte laserpuls gericht op een miniatuurreplica van een asteroïde destructieve effecten veroorzaakt die vergelijkbaar zijn met die van een nucleaire explosie op een echte ruimterots. De voorspelde warmte- en drukverdelingen voor de echte gebeurtenis kwamen over het algemeen overeen met die gemeten in het verkleinde experiment.

Voor nauwkeurigheid, de onderzoekers zorgden ervoor dat de kleinschalige asteroïden kenmerken, inclusief dichtheid, stijfheid en vorm, nagebootst het echte ding, en controleerde de schokgolfdrukken. Dus, de onderzoekers hadden een manier om de benodigde energie van een nucleaire explosie op de werkelijke asteroïde direct te berekenen uit de energie van een laserpuls die de miniatuurreplica vernietigt. Om een ​​asteroïde van 200 meter te elimineren, bijvoorbeeld, de bom moet het energie-equivalent van 3 megaton TNT leveren. Het team kwam tot deze conclusie door een laserpuls van 500 joule te gebruiken om een ​​model met een diameter van acht tot tien millimeter te vernietigen. Ter vergelijking, het krachtigste explosief dat ooit tot ontploffing is gebracht:Tsar Bomba, of "de koning van de bommen, " gebouwd door de Sovjet-Unie in 1961 - had een energie-output van ongeveer 58,6 megaton, hoewel accounts variëren.

Het onderzoeksteam bedacht een technologie voor het maken van kunstmatig asteroïdemateriaal. De samenstelling komt overeen met die van de chondriet (steenachtige) meteorieten, die goed zijn voor ongeveer 90 procent van de asteroïde-resten die het aardoppervlak bereiken. De eigenschappen van de modelasteroïde, inclusief de chemische samenstelling, dichtheid, porositeit en stijfheid, werden aangepast tijdens de productie. De replica's zijn gemaakt met behulp van de gegevens over de chondrietmeteoriet die is teruggevonden op de bodem van het meer van Chebarkul. Het is het grootste fragment van de asteroïde dat in februari 2013 de atmosfeer van de aarde binnenkwam exploderen boven Chelyabinsk Oblast, Rusland. Het asteroïde materiaal werd vervaardigd met behulp van een combinatie van sedimentatie, compressie, en verwarming, het nabootsen van het natuurlijke vormingsproces. Uit cilindervormige monsters, imitatie asteroïden van verschillende vormen werden gemaakt, onder hen bolvormig, ellipsvormig, en kubusvormige.

Om te bevestigen dat hun lasermodellering overeenkomt met de werkelijkheid, de onderzoekers deden ook comprimeerbare stromingsberekeningen. Ze toonden aan dat een lab-asteroïde 14 tot 15 orden van grootte minder zwaar is dan zijn ruimteprototype bijna twee keer zoveel energie per massa-eenheid nodig heeft om volledig te worden verstoord.

De experimenten maakten gebruik van drie laserapparaten:Iskra-5, Luch, en Saturnus. De laserstraal werd eerst versterkt tot een vooraf bepaald vermogen en vervolgens gericht op de asteroïde-replica die in een vacuümkamer was bevestigd. Modelvernietiging werd zowel van achteren als van opzij gevolgd, en fragmentatiedynamiek werden geregistreerd. De laser beïnvloedde modelasteroïden gedurende 0,5-30 nanoseconden.

Om criteria voor vernietiging van asteroïden te schatten, de onderzoekers analyseerden de beschikbare gegevens van de Chelyabinsk-meteoriet. Het kwam de atmosfeer van de aarde binnen als een 20 meter lange asteroïde en brak in kleine fragmenten die geen catastrofale schade aanrichtten. Het is daarom logisch om te zeggen dat een asteroïde van 200 meter zou worden geëlimineerd als deze zou worden gebroken in stukken met een diameter die 10 keer kleiner is en een massa van 1. 000 keer kleiner dan de aardbedreigende rots zelf. Voor duidelijke redenen, deze conclusie geldt alleen voor een asteroïde van 200 meter die de atmosfeer binnenkomt onder een vergelijkbare hoek en voor fragmenten die reizen langs banen die vergelijkbaar zijn met die van de Chelyabinsk-meteoor.

De onderzoekers waren ook geïnteresseerd in de vraag of het explosie-effect cumulatief is, dat wil zeggen, kan één krachtige explosie worden vervangen door een opeenvolging van kleinere? Ze ontdekten dat meerdere zwakkere laserpulsen geen significant voordeel bieden ten opzichte van een enkele puls die hun kracht combineert in termen van het algemene vernietigingscriterium. Dit geldt zowel voor gelijktijdige als voor opeenvolgende pulsen.

In sommige van de experimenten, de laser was gericht op een holte die van tevoren in de miniatuurasteroïden was gemaakt. Door gebruik te maken van de holte, de onderzoekers besteedden minder energie, namelijk 500 in plaats van 650 joule per gram. evenzo, het effect van een begraven atoombom zal naar verwachting meer uitgesproken zijn.

Berekeningen die rekening houden met de schaaleffecten geven aan dat er een bom van drie megaton nodig is om een ​​aardbedreigende niet-metalen asteroïde met een doorsnede van 200 meter te elimineren. Het onderzoeksteam is nu van plan het onderzoek uit te breiden door te experimenteren met asteroïde replica's van verschillende samenstelling, inclusief die met ijzer, nikkel, en ijs. Ze zijn ook van plan om nauwkeuriger te identificeren hoe de vorm van de asteroïde en de aanwezigheid van holtes op het oppervlak het algemene vernietigingscriterium beïnvloeden.

"Door coëfficiënten en afhankelijkheden te accumuleren voor asteroïden van verschillende typen, we maken snelle modellering van de explosie mogelijk, zodat de vernietigingscriteria snel kunnen worden berekend. Momenteel, er zijn geen asteroïde dreigingen, zodat ons team de tijd heeft om deze techniek te perfectioneren voor later gebruik bij het voorkomen van een planetaire ramp, " zegt studie co-auteur Vladimir Yufa, een universitair hoofddocent bij de afdelingen Technische Natuurkunde en Lasersystemen en Gestructureerde Materialen, MIPT. "We onderzoeken ook de mogelijkheid om een ​​asteroïde af te buigen zonder hem te vernietigen en hopen op internationale betrokkenheid."