De Death Star is een kolossaal wapen ter grootte van een goede maan. Schietend op de weerloze planeet Alderaan, het thuisland van prinses Leia, vernietigt de Death Star het volledig. De planeet verdwijnt in de vlammen van een gigantische explosie, waarbij puin door het zonnestelsel wordt verspreid. Een miljard zielen schreeuwen tegelijkertijd van pijn en veroorzaken een verontwaardiging in de Kracht die overal in de melkweg wordt gevoeld.
Maar is een wapen als de Death Star uit de Star Wars-film echt mogelijk? Is het mogelijk om een batterij laserkanonnen zo te organiseren en te sturen dat hierdoor een hele planeet verdampt? Hoe zit het met de beroemde lichtzwaarden die Luke Skywalker en Darth Vader hanteerden, die een lichtstraal zijn maar gemakkelijk door gepantserd staal kunnen snijden? Zullen rayguns, net als de fasers in Star Trek, het juiste wapen worden voor toekomstige generaties wetshandhavers en soldaten?
De nieuwe, originele en verbijsterende speciale effecten van Star Wars maakten een overtuigende indruk op miljoenen kijkers, maar critici hadden een andere mening. Sommigen van hen voerden aan dat ja, natuurlijk, de filmmakers oprecht probeerden de kijker te vermaken, maar in feite zijn dergelijke dingen volkomen onmogelijk. Critici zijn het nooit beu om als een bezwering te herhalen: straalkanonnen ter grootte van de maan, die een hele planeet in kleine stukjes kunnen blazen, is iets ongehoord; zwaarden van een plotseling stollende lichtstraal zijn ook onmogelijk. Dit alles is te veel, zelfs voor een ver, ver sterrenstelsel. Deze keer gleed George Lucas, de veelgeprezen meester van speciale effecten, een beetje.
Het is misschien moeilijk te geloven, maar een onbeperkte hoeveelheid energie kan in een lichtstraal worden "gepropt"; er zijn geen fysieke beperkingen. De creatie van een Death Star of lichtzwaard is niet in tegenspraak met enige natuurkundige wetten. Bovendien bestaan er in de natuur eigenlijk stralen gammastraling die de planeet kunnen opblazen. De titanische uitbarsting van straling, gegenereerd door een verre mysterieuze bron van gammastraaluitbarstingen, kan een explosie veroorzaken in de diepe ruimte, de tweede alleen in kracht na de oerknal zelf. Elke planeet die erin slaagt om in het zicht van een dergelijk "geweer" te staan, zal feitelijk worden gebakken of aan stukken gescheurd.
Beam wapens in de geschiedenis
De droom om stralingsenergie te benutten is helemaal niet nieuw; de wortels gaan terug naar de oude religie en mythologie. De Griekse god Zeus is beroemd omdat hij stervelingen met bliksem doodde. De noordelijke god Thor hanteerde een magische hamer, Mjellnir, die bliksem kon werpen, en de hindoegod Indra vuurde een energiestraal af met een magische speer.
Het idee van de straal als een echt praktisch wapen verscheen voor het eerst in de werken van de grote Griekse wiskundige Archimedes, misschien wel de grootste wetenschapper uit de oudheid, die tweeduizend jaar vóór Newton en Leibniz erin slaagde zijn eigen versie van primitieve differentiaalrekening te ontwikkelen. Er wordt aangenomen dat in de legendarische slag van 214 voor Christus. Tegen de troepen van de Romeinse generaal Marcellus tijdens de Tweede Punische Oorlog hielp Archimedes, die het koninkrijk van Syracuse verdedigde, een grote batterij zonnereflectoren, richtte de zonnestralen op de zeilen van vijandelijke schepen en stak ze zo in brand. (Wetenschappers debatteren nog steeds of een dergelijk straalwapen echt zou kunnen werken; verschillende groepen wetenschappers hebben geprobeerd, met verschillende resultaten, om deze prestatie te repliceren.)
Promotie video:
Beam guns raakten de pagina's van science fiction in 1889 met HG Wells 'klassieke War of the Worlds. In deze roman vernietigden buitenaardse wezens van Mars hele steden door stralen van thermische energie van kanonnen op hun statieven naar hen te richten. Tijdens de Tweede Wereldoorlog experimenteerden de nazi's, altijd klaar om onderzoek te doen en de nieuwste technologische ontwikkelingen toe te passen om ze te gebruiken om de wereld te veroveren, ook met verschillende soorten straalpistolen, waaronder akoestische apparaten die krachtige geluidsbundels richtten met behulp van parabolische spiegels.
Het wapen, dat een gefocusseerde lichtstraal is, sprak tot de verbeelding van het publiek na de release van de James Bond-film Goldfinger; het was de eerste Hollywood-film met een laser. (Daarin was de legendarische Britse spion vastgebonden aan een metalen tafel, en een krachtige laserstraal naderde hem langzaam, waardoor de tafel geleidelijk tussen zijn benen smolt en dreigde de held in tweeën te snijden.)
Aanvankelijk lachten natuurkundigen alleen om het idee van straalpistolen, uitgedrukt in Wells 'roman, omdat dergelijke wapens de bekende wetten van de optica schonden. Volgens Maxwell's vergelijkingen is het licht dat we om ons heen zien onsamenhangend (dat wil zeggen, het is een wirwar van golven met verschillende frequenties en fasen) en verdwijnt snel. Ooit werd aangenomen dat een coherente, gefocusseerde, uniforme lichtstraal - zoals een laserstraal - onmogelijk was.
Quantum revolutie
Alles veranderde na de komst van de kwantumtheorie. Al aan het begin van de twintigste eeuw. Het werd duidelijk dat, hoewel de wetten van Newton en de vergelijkingen van Maxwell zeer succesvol de beweging van planeten en het gedrag van licht beschrijven, er een hele klasse verschijnselen is die ze niet kunnen verklaren. Helaas zeiden ze niets over waarom materialen elektriciteit geleiden, waarom metalen smelten bij bepaalde temperaturen, waarom gassen licht uitzenden bij verhitting, waarom sommige stoffen supergeleidend worden bij lage temperaturen. Om een van deze vragen te beantwoorden, is het noodzakelijk om de interne dynamiek van atomen te begrijpen. De revolutie is rijp. De Newtoniaanse fysica wachtte na 250 jaar overheersing op zijn omverwerping; tegelijkertijd moest de ineenstorting van het oude idool het begin inluiden van de weeën van de nieuwe fysica.
In 1900 suggereerde Max Planck in Duitsland dat energie niet continu is, zoals Newton geloofde, maar bestaat in de vorm van kleine discrete "porties" die "quanta" worden genoemd. Toen, in 1905, postuleerde Einstein dat licht ook is samengesteld uit deze kleine discrete pakketjes (of quanta), later fotonen genoemd. Met dit eenvoudige maar krachtige idee kon Einstein het foto-elektrische effect verklaren, namelijk waarom metalen, wanneer ze met licht worden bestraald, elektronen uitzenden. Tegenwoordig vormen het foto-elektrische effect en het foton de basis voor televisie, lasers, zonnepanelen en veel moderne elektronica. (Einsteins theorie van het foton was zo revolutionair dat zelfs Max Planck, die Einstein gewoonlijk vurig steunde, er aanvankelijk niet in kon geloven. Planck schreef over Einstein:dat hij soms mist … zoals hij bijvoorbeeld deed met de hypothese van lichtquanta, kan men hem naar alle geweten niet kwalijk nemen. ')
Toen gaf de Deense natuurkundige Niels Bohr ons in 1913 een geheel nieuw beeld van het atoom; Bohr's atoom leek op een miniatuurzonnestelsel. Maar, in tegenstelling tot het echte zonnestelsel, kunnen elektronen in een atoom alleen binnen discrete banen of schalen rond de kern bewegen. Wanneer een elektron van de ene schil naar de andere "springt", die dichter bij de kern staat en minder energie heeft, zendt het een foton aan energie uit. Omgekeerd, wanneer een elektron een foton met een bepaalde energie absorbeert, "springt" het hoger, naar een schaal die verder van de kern verwijderd is en meer energie heeft.
In 1925, met de komst van de kwantummechanica en het revolutionaire werk van Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg en vele anderen, werd een bijna volledige theorie van het atoom geboren. Volgens de kwantumtheorie was het elektron een deeltje, maar het bezat ook een bijbehorende golf, waardoor het zowel de eigenschappen van een deeltje als een golf kreeg. Deze golf gehoorzaamde aan de zogenaamde Schrödingergolfvergelijking, die het mogelijk maakte om de eigenschappen van het atoom te berekenen, inclusief alle "sprongen" van elektronen die door Bohr gepostuleerd werden.
Tot 1925 werden atomen beschouwd als mysterieuze objecten; velen, zoals de filosoof Ernst Mach, geloofden helemaal niet in hun bestaan. Na 1925 kreeg de mens niet alleen de gelegenheid om diep in de dynamica van het atoom te kijken, maar ook om de eigenschappen ervan vrij betrouwbaar te voorspellen. Verrassend genoeg betekende dit dat men met een voldoende krachtige computer bij de hand de eigenschappen van chemische elementen rechtstreeks uit de wetten van de kwantumtheorie kon afleiden. Net zoals de Newtoniaanse fysica, met een voldoende grote rekenmachine, wetenschappers in staat zou stellen de beweging van alle hemellichamen in het universum te berekenen, zo maakte de kwantumfysica het volgens wetenschappers in principe mogelijk om alle eigenschappen van de chemische elementen van het universum te berekenen. Als u bovendien een voldoende krachtige computer heeft,men zou de volledige golffunctie van een mens kunnen samenstellen.
Masers en lasers
In 1953 slaagde professor Charles Townes van de University of California in Berkeley er samen met zijn collega's in om de eerste bundel coherente straling te verkrijgen, namelijk microgolven. Het apparaat heette een maser (maser - naar de eerste letters van de woorden van de uitdrukking 'microgolfversterking door gestimuleerde emissie van straling', dat wil zeggen 'versterking van microgolven door stimulatie van straling'.) Later, in 1964, Townes, samen met de Russische natuurkundigen Nikolai Basov en Alexander Prokhorov ontving de Nobelprijs. Al snel werden de resultaten van de wetenschappers uitgebreid tot zichtbaar licht. De laser was geboren. (De phaser daarentegen is een fantastisch apparaat dat beroemd is geworden door Star Trek.)
De basis van de laser is een speciaal medium dat de laserstraal daadwerkelijk zal uitzenden; het kan een speciaal gas, kristal of diode zijn. Dan moet je van buitenaf energie in deze omgeving pompen - met behulp van elektriciteit, radiogolven, licht of een chemische reactie. De onverwachte instroom van energie wekt de atomen in het medium op, waardoor de elektronen energie absorberen en op de hogere energie buitenschillen springen.
In zo'n opgewonden, gepompte toestand wordt het medium onstabiel. Als daarna een lichtstraal erdoorheen wordt gericht, zullen de fotonen van de bundel die met de atomen in botsing komen, een plotselinge dump van elektronen naar lagere banen veroorzaken en het vrijkomen van extra fotonen. Deze fotonen zullen er op hun beurt voor zorgen dat nog meer elektronen fotonen uitzenden - en al snel zal een kettingreactie van atomen "instorten" tot een niet-aangehaalde toestand, met de bijna gelijktijdige afgifte van een enorme hoeveelheid fotonen - biljoenen en biljoenen - allemaal in dezelfde bundel. Het fundamentele kenmerk van dit proces is dat in sommige stoffen, met een lawine-achtige afgifte, alle fotonen tegelijk trillen, dat wil zeggen dat ze coherent zijn.
(Stel je voor dat dominostenen op een rij staan. In de laagste energietoestand ligt elke knokkel plat op de tafel. In de hoogenergetische, opgeblazen toestand staan de knokkels rechtop, zoals de opgeblazen atomen van een medium. Door op één knokkel te duwen, kun je een plotselinge gelijktijdige afgifte van al deze energie veroorzaken, net zoals hetzelfde als bij de geboorte van een laserstraal.)
Slechts enkele materialen zijn in staat om in een laser te werken; dit betekent dat alleen in speciale stoffen wanneer een foton botst met een aangeslagen atoom, een foton wordt uitgezonden dat samenhangt met het eerste. Deze eigenschap van materie leidt ertoe dat alle fotonen in de uittredende stroom tegelijk trillen, waardoor een dunne laserstraal ontstaat. (In tegenstelling tot de populaire legende, blijft de laserstraal niet altijd zo dun als aan het begin. Een laserstraal die op de maan wordt geschoten, zal bijvoorbeeld geleidelijk uitzetten en een vlek geven van enkele kilometers over het oppervlak van de maan.)
Een eenvoudige gaslaser is een buis gevuld met een mengsel van helium en neon. Wanneer elektriciteit door de buis wordt geleid, nemen de atomen energie op en worden ze opgewonden. Als er dan plotseling alle energie vrijkomt die in het gas is opgeslagen, wordt er een bundel coherent licht geboren. Deze bundel wordt versterkt door twee spiegels die aan beide uiteinden van de buis zijn geïnstalleerd, zodat de straal op zijn beurt weer wordt gereflecteerd en langs de buis heen en weer stroomt. Een van de spiegels is volledig ondoorzichtig, maar de andere laat een klein deel van het invallende licht door, waardoor de straal naar buiten komt.
Tegenwoordig zijn lasers overal te vinden: in de kassa van de supermarkt, in de glasvezelkabel die je toegang geeft tot internet, in een laserprinter of cd-speler en in een moderne computer. Lasers worden gebruikt bij oogchirurgie, het verwijderen van tatoeages en zelfs in schoonheidssalons. In 2004 werden lasers wereldwijd verkocht voor meer dan $ 5,4 miljard.
Soorten lasers en hun kenmerken
Er worden nu bijna elke dag nieuwe lasers ontdekt; in de regel hebben we het over de ontdekking van een nieuwe stof die in een laser kan werken, of de uitvinding van een nieuwe methode om energie in de werkvloeistof te pompen.
De vraag is: zijn deze technologieën geschikt voor het maken van straalpistolen of lichtzwaarden? Kun jij een laser bouwen die groot genoeg is om de Death Star van stroom te voorzien? Tegenwoordig is er een verbluffende verscheidenheid aan lasers die kunnen worden geclassificeerd op basis van het materiaal van de werkvloeistof en de manier waarop energie wordt gepompt (het kan elektriciteit zijn, een krachtige lichtstraal, zelfs een chemische explosie). We vermelden verschillende soorten lasers.
• Gaslasers. Tot deze categorie behoren ook de zeer gangbare helium-neonlasers, die een zeer bekende rode straal produceren. Ze worden opgepompt met radiogolven of elektriciteit. Helium-neonlasers hebben een laag vermogen. Maar koolstofdioxidegaslasers kunnen worden gebruikt voor explosieoperaties, voor het snijden en smelten van metalen in de zware industrie; ze zijn in staat om een extreem krachtige en volledig onzichtbare straal te geven;
• Chemische lasers. Deze krachtige lasers worden opgeladen door chemische reacties zoals de verbranding van ethyleen en stikstoftrifluoride NF3. Deze lasers zijn krachtig genoeg om op militair gebied te worden gebruikt. In de Verenigde Staten wordt het principe van chemisch pompen gebruikt in lucht- en grondgevechtslasers die een straal van miljoenen watt kunnen leveren en die zijn ontworpen om korteafstandsraketten tijdens de vlucht neer te schieten.
• Excimeerlasers. Deze lasers halen hun energie ook uit een chemische reactie, waarbij meestal een inert gas (bijv. Argon, krypton of xenon) en een soort fluoride of chloride betrokken is. Ze zenden ultraviolet licht uit en kunnen in de elektronica-industrie worden gebruikt om kleine transistors op halfgeleiderchips te etsen, en bij oogchirurgie voor de beste Lasik-operaties.
• Halfgeleiderlasers. De diodes die we zo veel in allerlei elektronische apparaten gebruiken, kunnen krachtige laserstralen produceren die worden gebruikt in de snij- en lasindustrie. Deze zelfde halfgeleiderlasers werken ook in kassa's en lezen barcodes van uw gekozen producten.
• Kleurstoflasers. Deze lasers gebruiken organische kleurstoffen als werkmedium. Ze zijn buitengewoon nuttig bij het genereren van ultrakorte lichtpulsen, die vaak in de orde van grootte van een biljoenste van een seconde zijn.
Lasers en straalpistolen?
Gezien de enorme verscheidenheid aan commerciële lasers en de kracht van militaire lasers, is het moeilijk om niet af te vragen waarom we geen straalpistolen en kanonnen hebben die bruikbaar zijn op het slagveld? In sciencefictionfilms zijn straalpistolen en pistolen van een of andere soort meestal de meest voorkomende en bekende wapens. Waarom werken we er niet aan om zo'n wapen te maken?
Het simpele antwoord op deze vraag is dat we niet over voldoende draagbare stroombronnen beschikken. Dit is geen kleinigheid. Straalwapens zouden miniatuurbatterijen nodig hebben, zo groot als een handpalm, maar die overeenkomen met de kracht van een enorme energiecentrale. Momenteel is de enige manier om de kracht van een grote energiecentrale te gebruiken, er een te bouwen. En het kleinste militaire apparaat dat als container voor dergelijke energie kan dienen, is een miniatuur waterstofbom, die helaas niet alleen het doelwit, maar ook jezelf kan vernietigen.
Er is ook een tweede probleem: de stabiliteit van de emitterende substantie of werkvloeistof. In theorie is er geen limiet aan de hoeveelheid energie die in een laser kan worden gepompt. Maar het probleem is dat het werkende lichaam van een handlaserpistool onstabiel zou zijn. Kristallasers raken bijvoorbeeld oververhit en kraken als je er teveel energie in pompt. Daarom kan het creëren van een extreem krachtige laser - een die een object kan verdampen of een vijand neutraliseren - explosieve energie vereisen. In dit geval kan men natuurlijk niet meer nadenken over de stabiliteit van de werkvloeistof, omdat onze laser wegwerpbaar is.
Problemen met het creëren van draagbare stroombronnen en stabiele emitterende materialen maken het bestaan van straalpistolen onmogelijk met de huidige stand van de techniek. Over het algemeen kunt u alleen een straalpistool maken als u er een kabel van een stroombron naar toe brengt. Misschien kunnen we met behulp van nanotechnologie op een dag miniatuurbatterijen maken die energie kunnen opslaan of genereren die voldoende zou zijn om krachtige uitbarstingen te creëren - een noodzakelijk kenmerk van draagbare laserwapens. Op dit moment staat nanotechnologie, zoals we al hebben gezien, nog in de kinderschoenen. Ja, wetenschappers zijn erin geslaagd om op atomair niveau een aantal apparaten te maken - zeer ingenieus, maar volkomen onpraktisch, zoals een atoomtelraam of atoomgitaar. Maar het kan heel goed gebeuren dat wat anders in dit of, laten we zeggen,In de volgende eeuw zullen we met nanotechnologie inderdaad miniatuurbatterijen krijgen voor het opslaan van fantastische hoeveelheden energie.
Lichtzwaarden hebben hetzelfde probleem. Met de release van Star Wars in 1970 werden speelgoedlichtzwaarden meteen een hit bij jongens. Veel critici vonden het hun plicht erop te wijzen dat dergelijke apparaten in werkelijkheid onmogelijk zijn. Ten eerste kan licht niet worden gestold. Licht beweegt met de snelheid van het licht, dus het is onmogelijk om het te laten stollen. Ten tweede kan een lichtstraal in de ruimte niet abrupt worden afgesneden, zoals lichtzwaarden doen in Star Wars. De lichtstraal is niet te stoppen, hij is altijd in beweging; een echte lichtzwaard zou ver de lucht in gaan.
In feite is er een manier om een soort lichtzwaard te maken van plasma, of oververhit geïoniseerd gas. Als het plasma voldoende wordt verwarmd, gloeit het in het donker en snijdt het overigens ook staal. Een plasma-lichtzwaard kan een dunne telescopische buis zijn die uit een handvat steekt.
Heet plasma wordt via de handgreep in de buis afgegeven, die vervolgens via kleine gaatjes over de gehele lengte van het "mes" naar buiten komt. Het plasma stijgt op van het handvat langs het blad en naar buiten in een lange, gloeiende cilinder van oververhit gas, heet genoeg om staal te smelten. Zo'n apparaat wordt ook wel een plasmatoorts genoemd.
Zo kunnen we een apparaat met hoge energie maken dat lijkt op een lichtzwaard. Maar hier, zoals in de situatie met straalpistolen, moet u eerst een krachtige draagbare batterij aanschaffen. Dus ofwel gebruik je nanotechnologie om een miniatuurbatterij te maken die je lichtzwaard van een enorme hoeveelheid energie kan voorzien, of je moet hem met een lange kabel op een stroombron aansluiten.
Dus hoewel straalpistolen en lichtzwaarden tegenwoordig nog steeds in een of andere vorm kunnen worden gemaakt, zijn de handwapens die we in sciencefictionfilms zien, niet mogelijk met de huidige stand van de techniek. Maar later in deze eeuw, of misschien in de volgende, zou de ontwikkeling van de materiaalwetenschap en nanotechnologie wel eens kunnen leiden tot de creatie van een of ander type straalwapen, waardoor we het kunnen definiëren als een klasse I onmogelijkheid.
Energie voor de Death Star
Om de Death Star te bouwen, een laserkanon dat een hele planeet kan vernietigen en de melkweg kan terroriseren, zoals te zien is in Star Wars, moet je de krachtigste laser maken die je je kunt voorstellen. Momenteel worden waarschijnlijk de krachtigste lasers op aarde gebruikt om temperaturen te verkrijgen die in de natuur alleen in de kernen van sterren te vinden zijn. Misschien zullen deze lasers en de daarop gebaseerde fusiereactoren ons op een dag op aarde helpen om stellaire energie te benutten.
In fusiereactoren proberen wetenschappers de processen te reproduceren die in de ruimte plaatsvinden tijdens de vorming van een ster. In eerste instantie verschijnt de ster als een enorme bol ongevormde waterstof. Vervolgens comprimeren de zwaartekracht het gas en verwarmen het daardoor; geleidelijk bereikt de temperatuur binnen astronomische waarden. Diep in het hart van een ster kan de temperatuur bijvoorbeeld oplopen tot 50-100 miljoen graden. Het is daar heet genoeg om de waterstofkernen aan elkaar te laten kleven; in dit geval verschijnen heliumkernen en komt er energie vrij. Bij het fuseren van helium uit waterstof wordt een klein deel van de massa omgezet in energie volgens Einsteins beroemde formule E = mc2. Dit is de bron waaruit de ster zijn energie haalt.
Wetenschappers proberen momenteel de energie van kernfusie op twee manieren te benutten. Beide paden bleken veel moeilijker te implementeren dan eerder werd gedacht.
Inertiële opsluiting voor lasersmelting
De eerste methode is gebaseerd op de zogenaamde inertiële opsluiting. Met behulp van de krachtigste lasers op aarde wordt in het laboratorium kunstmatig een stukje van de zon gecreëerd. De solid state laser van neodymiumglas is ideaal voor het reproduceren van de hoogste temperaturen die alleen in stellaire kernen voorkomen. Het experiment maakt gebruik van lasersystemen ter grootte van een goede fabriek; een batterij lasers in zo'n systeem vuurt een reeks parallelle stralen in een lange tunnel. Deze krachtige laserstralen worden vervolgens gereflecteerd door een systeem van kleine spiegels die rond het bolvormige volume zijn gemonteerd. Spiegels focussen alle laserstralen nauwkeurig en richten ze op een balletje waterstofrijk materiaal (zoals lithiumdeuteride, de werkzame stof in een waterstofbom). Wetenschappers gebruiken meestal een bal ter grootte van een speldenknop en weegt slechts ongeveer 10 mg.
De laserflits verwarmt onmiddellijk het oppervlak van de bal, waardoor de bovenste laag van de substantie verdampt en de bal scherp wordt samengedrukt. Het "stort in", en de resulterende schokgolf bereikt het centrum en doet de temperatuur in de bal tot miljoenen graden omhoog springen - het niveau dat nodig is voor de fusie van waterstofkernen om heliumkernen te vormen. Temperatuur en druk bereiken zulke astronomische waarden dat aan het Lawson-criterium wordt voldaan, hetzelfde criterium dat ook wordt vervuld in de kernen van sterren en in de explosies van waterstofbommen. (Lawson's criterium stelt dat bepaalde niveaus van temperatuur, dichtheid en retentietijd moeten worden bereikt om een thermonucleaire fusiereactie in een waterstofbom, in een ster of in een reactor te activeren.)
Tijdens het proces van inertiële opsluiting thermonucleaire fusie komt een enorme hoeveelheid energie vrij, ook in de vorm van neutronen. (De temperatuur van lithiumdeuteride kan oplopen tot 100 miljoen graden Celsius, en de dichtheid is twintig keer die van lood.) Een uitbarsting van neutronenstraling van de bal komt voor. Neutronen vallen in een bolvormige "deken" van materie die de reactorkamer omringt en verwarmen het. De resulterende warmte wordt vervolgens gebruikt om water te koken en de stoom kan al worden gebruikt om de turbine te laten draaien en elektriciteit op te wekken.
Het probleem is echter om de hoogenergetische stralen te focussen en hun straling gelijkmatig over het oppervlak van het kleine bolletje te verspreiden. De eerste grote poging tot lasersfusie was Shiva, een lasersysteem met twintig stralen gebouwd in het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) en gelanceerd in 1978 (Shiva is de meerarmige godin van het hindoeïstische pantheon, die doet denken aan een lasersysteem met meerdere stralen). "Shiva" bleek ontmoedigend te zijn; desalniettemin was het met zijn hulp mogelijk om te bewijzen dat thermonucleaire fusie met laser technisch mogelijk is. Later werd de "Shiva" vervangen door de "Nova" laser, die de "Shiva" in kracht tien keer overtrof. Maar de "Nova" was niet in staat om de waterstofbal goed te ontsteken. Hoe dan ook,beide systemen maakten de weg vrij voor gericht onderzoek bij de nieuwe Nationale Ontstekingsfaciliteit (NIF), waarvan de bouw in 1997 bij LLNL begon.
De NIF zal naar verwachting in 2009 beginnen te werken. Deze monsterlijke machine is een batterij van 192 lasers, die in een korte puls een enorm vermogen van 700 biljoen watt produceren (het totale vermogen van ongeveer 70.000 grote kerncentrales). Het is een state-of-the-art lasersysteem dat speciaal is ontworpen voor de volledige fusie van met waterstof verzadigde ballen. (Critici wijzen ook op de voor de hand liggende militaire betekenis ervan - een dergelijk systeem is immers in staat om het proces van het tot ontploffing brengen van een waterstofbom te simuleren; misschien zal het een nieuw type kernwapen creëren - een bom die uitsluitend is gebaseerd op het fusieproces, waarvoor geen atoomlading van uranium of plutonium meer nodig is om te ontploffen.)
Maar zelfs het NIF-systeem, dat ontworpen is om het proces van thermonucleaire fusie te ondersteunen en de krachtigste lasers op aarde bevat, kan qua kracht niet eens in de verste verte worden vergeleken met de vernietigende kracht van de Death Star, die we kennen uit Star Wars. Om zo'n apparaat te maken, zullen we op zoek moeten gaan naar andere energiebronnen.
Magnetische opsluiting voor fusie
De tweede methode die wetenschappers in principe zouden kunnen gebruiken om Death Rides van energie te voorzien, staat bekend als magnetische opsluiting - het proces waarbij een heet waterstofplasma op zijn plaats wordt gehouden door een magnetisch veld.
Deze methode zal zeer waarschijnlijk dienen als een prototype voor de eerste commerciële thermonucleaire reactoren. Momenteel is het meest geavanceerde project van dit type de International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER). In 2006 besloten verschillende landen (waaronder de Europese Unie, de Verenigde Staten, China, Japan, Korea, Rusland en India) om een dergelijke reactor te bouwen bij Cadarache in Zuid-Frankrijk. Daarin moet waterstof worden verwarmd tot 100 miljoen graden Celsius. Het is mogelijk dat ITER de eerste thermonucleaire reactor in de geschiedenis wordt, die meer energie kan produceren dan hij verbruikt. Het is ontworpen om 500 MW aan vermogen te produceren in 500 seconden (het huidige record is 16 MW in één seconde). Het is de bedoeling dat in 2016 het eerste plasma in ITER zal worden geproduceerd,en de installatie zal volledig operationeel zijn in 2022. Het project heeft een waarde van $ 12 miljard en is het derde duurste wetenschapsproject in de geschiedenis (na het Manhattan-project en het internationale ruimtestation).
Uiterlijk ziet de ITER-installatie eruit als een grote donut, van buitenaf gevlochten met enorme ringen van elektrische wikkeling; waterstof circuleert in de donut. De wikkeling wordt afgekoeld tot een staat van supergeleiding en vervolgens wordt er een enorme hoeveelheid elektriciteit in gepompt, waardoor een magnetisch veld ontstaat dat het plasma in de donut houdt. Wanneer een elektrische stroom rechtstreeks door de donut wordt geleid, warmt het gas erin op tot stellaire temperaturen.
De reden waarom wetenschappers zo geïnteresseerd zijn in het ITER-project is simpel: op lange termijn belooft het goedkope energiebronnen te creëren. Fusiereactoren worden aangedreven door gewoon zeewater, dat rijk is aan waterstof. Het blijkt, althans op papier, dat thermonucleaire fusie ons een goedkope en onuitputtelijke energiebron kan opleveren.
Dus waarom hebben we niet nog steeds fusiereactoren? Waarom is het al enkele decennia - sinds het moment in de jaren vijftig. er is een processchema ontwikkeld - kunnen we geen echte resultaten krijgen? Het probleem is dat het ongelooflijk moeilijk is om waterstofbrandstof gelijkmatig te comprimeren. In de kernen van sterren dwingt de zwaartekracht de waterstof om een ideale bolvorm aan te nemen, waardoor het gas schoon en gelijkmatig opwarmt.
Laserthermonucleaire fusie in de NIF vereist dat de laserstralen die het oppervlak van de waterstofbal ontsteken exact hetzelfde zijn, en dit is buitengewoon moeilijk te bereiken. Bij installaties met magnetische opsluiting speelt het feit dat het magnetische veld een noord- en zuidpool heeft een belangrijke rol; als resultaat is het buitengewoon moeilijk om het gas gelijkmatig in de juiste bol te persen.
Het beste dat we kunnen creëren, is een ringvormig magnetisch veld. Maar het proces van het comprimeren van een gas is als het knijpen van een ballon in uw handen. Elke keer dat je de bal vanaf het ene uiteinde knijpt, duwt de lucht het op een andere plaats naar buiten. De bal gelijktijdig en gelijkmatig in alle richtingen samendrukken is geen gemakkelijke taak. Het hete gas lekt meestal uit de magnetische fles; vroeg of laat bereikt het de wanden van de reactor en stopt het proces van thermonucleaire fusie. Daarom is het zo moeilijk om waterstof voldoende te persen en zelfs maar een seconde samengeperst te houden.
In tegenstelling tot moderne kerncentrales, waar de splitsing van atomen plaatsvindt, zal een fusiereactor geen grote hoeveelheid kernafval produceren. (Elk van de traditionele kerncentrales produceert 30 ton extreem gevaarlijk kernafval per jaar. Het kernafval van een fusiereactor zal daarentegen grotendeels bestaan uit radioactief staal, dat na demontage achterblijft.)
Men moet niet hopen dat thermonucleaire fusie de energieproblemen van de aarde in de nabije toekomst volledig zal oplossen. De Fransman Pierre-Gilles de Gennes, Nobelprijswinnaar natuurkunde, zegt: “We zeggen dat we de zon in een doos zullen stoppen. Goed idee. Het probleem is dat we niet weten hoe we deze doos moeten maken. Maar de onderzoekers hopen dat, als alles goed gaat, ITER over veertig jaar wetenschappers zal helpen de weg te banen voor de commerciële productie van thermonucleaire energie - energie die op een dag elektriciteit voor onze huizen zou kunnen leveren. Misschien zullen fusiereactoren ons op een dag op aarde in staat stellen om veilig stellaire energie te gebruiken en daardoor onze energieproblemen te verzachten. Maar zelfs magnetisch opgesloten thermonucleaire reactoren zullen geen wapens zoals de Death Star kunnen aandrijven. Dit vraagt om geheel nieuwe ontwikkelingen.
Nucleair gepompte röntgenlasers
Er is nog een mogelijkheid om een Death Star-laserkanon te bouwen op basis van de technologie van vandaag - met behulp van een waterstofbom. Een batterij röntgenlasers, die de kracht van kernwapens benutten en focussen, zou in theorie genoeg stroom kunnen leveren om een apparaat te laten ontploffen dat een hele planeet tot ontploffing kan brengen.
Bij kernreacties komt ongeveer 100 miljoen keer meer energie per massa-eenheid vrij dan bij chemische. Een stuk verrijkt uranium niet groter dan een tennisbal zou voldoende zijn om een hele stad in een wervelwind van vuur te verbranden, ondanks het feit dat slechts 1% van de uraniummassa wordt omgezet in energie. Zoals we al zeiden, zijn er veel manieren om energie in de werkvloeistof van een laser te pompen, en dus in de laserstraal. De krachtigste van deze methoden - veel krachtiger dan alle andere - is om de energie van een atoombom te benutten.
Röntgenlasers zijn van enorm belang, zowel militair als wetenschappelijk. De zeer korte golflengte van röntgenstraling maakt het mogelijk om dergelijke lasers te gebruiken voor het sonderen op atomaire afstanden en het ontcijferen van de atomaire structuur van complexe moleculen, wat met conventionele methoden buitengewoon moeilijk is. Het vermogen om atomen in beweging te 'zien' en onderscheid te maken tussen hun locatie binnen een molecuul, zorgt ervoor dat we op een geheel nieuwe manier naar chemische reacties kijken.
Een waterstofbom zendt een enorme hoeveelheid energie uit in de vorm van röntgenstralen, dus röntgenlasers kunnen worden gepompt met de energie van een nucleaire explosie. In de wetenschap zijn röntgenlasers het nauwst verbonden met Edward Teller, de "vader" van de waterstofbom.
Overigens was het Teller in de jaren vijftig. getuigde voor het Congres dat Robert Oppenheimer, die eerder het Manhattan-project leidde, vanwege zijn politieke opvattingen geen verdere werkzaamheden aan de waterstofbom kon worden toevertrouwd. Tellers getuigenis had tot gevolg dat Oppenheimer werd belasterd en de toegang tot geheim materiaal werd geweigerd; veel vooraanstaande natuurkundigen hebben Teller dit nooit kunnen vergeven.
(Mijn eigen contacten met Teller begonnen op de middelbare school. Ik voerde toen een reeks experimenten uit over de aard van antimaterie, won de hoofdprijs op de San Francisco Science Fair en een reis naar de National Science Fair in Albuquerque, New Mexico. Samen met Teller, die altijd aandacht schonken aan getalenteerde jonge natuurkundigen, nam ik deel aan een lokaal televisieprogramma. Later ontving ik een studiebeurs van Teller, genoemd naar Hertz, waarmee ik mijn studie aan Harvard kon betalen. Meerdere keren per jaar ging ik naar Teller's huis in Berkeley, en daar leerde zijn familie goed kennen.)
De Teller-röntgenlaser is in principe een kleine atoombom omgeven door koperen staafjes. De explosie van een kernwapen genereert een sferische explosiegolf van intense röntgenstraling. Deze hoogenergetische stralen gaan door koperen staven, die fungeren als de werkvloeistof van de laser en de röntgenenergie focussen in krachtige stralen. De resulterende röntgenstralen kunnen vervolgens op vijandelijke kernkoppen worden gericht. Zo'n apparaat kan natuurlijk maar één keer worden gebruikt, omdat een nucleaire explosie de röntgenlaser zelf zou vernietigen.
De eerste röntgenlasertest, de Cabra-test (Cabra) genoemd, werd uitgevoerd in 1983. Een waterstofbom werd tot ontploffing gebracht in een ondergrondse mijn en vervolgens werd een ongeordende stroom röntgenstralen daaruit gefocusseerd en omgezet in een coherente röntgenlaserstraal. De tests bleken aanvankelijk succesvol te zijn; in feite was het dit succes in 1983 dat president Reagan inspireerde om een historische intentieverklaring af te leggen om een verdedigingsschild tegen Star Wars te bouwen. Dit lanceerde een programma van meerdere miljarden dollars om een netwerk van apparaten op te bouwen, zoals röntgenlasers met atoompomp, om vijandige ICBM's neer te halen. Het werk aan dit programma wordt vandaag voortgezet. (Later bleek dat een sensor die is ontworpen om straling te registreren en te meten tijdens een historische test,was vernietigd; dus zijn getuigenis kon niet worden vertrouwd.)
Is het echt mogelijk om kernkoppen met ballistische raketten neer te schieten met zo'n niet-triviaal apparaat? Het is niet uitgesloten. Maar men moet niet vergeten dat de vijand veel eenvoudige en goedkope manieren kan bedenken om dergelijke wapens te neutraliseren (men zou bijvoorbeeld de radar kunnen misleiden door miljoenen goedkope lokvogels af te vuren; of de kernkop draaien om röntgenstralen op deze manier te verspreiden; of een chemische coating bedenken die zou de kernkop tegen de röntgenstraling beschermen). Uiteindelijk kon de vijand eenvoudig kernkoppen produceren die het Star Wars-schild zouden doorboren, simpelweg ten koste van hun enorme aantal.
Daarom zijn nucleair gepompte röntgenlasers momenteel niet in staat bescherming te bieden tegen raketaanvallen. Maar is het mogelijk om op basis daarvan een Death Star te creëren die in staat is een hele planeet te vernietigen of een effectief verdedigingsmiddel te worden tegen een naderende asteroïde?
Death Star Physics
Is het mogelijk om een wapen te maken dat een hele planeet kan vernietigen, zoals in Star Wars? In theorie is het antwoord simpel: ja. En op verschillende manieren.
Er zijn geen fysieke beperkingen voor de energie die vrijkomt bij de explosie van een waterstofbom. Dit is hoe het gaat. (Een gedetailleerde beschrijving van de waterstofbom wordt zelfs vandaag de dag door de Amerikaanse regering geclassificeerd als de hoogste categorie van geheimhouding, maar in het algemeen is het apparaat goed bekend.) Een waterstofbom wordt in verschillende fasen gemaakt. Door het vereiste aantal fasen in de juiste volgorde te combineren, kun je een atoombom krijgen met bijna elke vooraf bepaalde kracht.
De eerste fase is een standaardsplijtingsbom of atoombom; het gebruikt de energie van uranium-235 om een röntgenuitbarsting te genereren, zoals gebeurde in Hiroshima. Een fractie van een seconde voordat de explosie van een atoombom alles aan flarden blaast, verschijnt een uitdijende bol van krachtige röntgenimpulsen. Deze straling haalt de eigenlijke explosie in (aangezien het beweegt met de snelheid van het licht); ze slagen erin het weer te focussen en naar een container met lithiumdeuteride, de werkzame stof van een waterstofbom, te sturen. (Hoe dit precies gebeurt, is nog steeds een staatsgeheim.) Röntgenstralen vallen op het lithiumdeuteride, waardoor het onmiddellijk instort en het tot miljoenen graden verhit, waardoor een tweede explosie ontstaat, veel krachtiger dan de eerste. De röntgenuitbarsting als gevolg van deze tweede explosieje kunt dan weer focussen op een tweede batch lithiumdeuteride en een derde explosie veroorzaken. Hier is het principe waarmee je veel containers met lithiumdeuteride naast elkaar kunt plaatsen en een waterstofbom van onvoorstelbare kracht kunt krijgen. De krachtigste bom in de geschiedenis van de mensheid was dus de tweetraps waterstofbom, die in 1961 door de Sovjet-Unie tot ontploffing werd gebracht. Toen was er een explosie met een capaciteit van 50 miljoen ton TNT, hoewel deze bom in theorie een kracht van meer dan 100 megaton TNT kon geven (wat ongeveer 5000 keer meer is dan de kracht van de bom die op Hiroshima is gevallen).de krachtigste bom in de geschiedenis van de mensheid was de tweetraps waterstofbom, die in 1961 door de Sovjet-Unie tot ontploffing werd gebracht. Toen was er een explosie met een capaciteit van 50 miljoen ton TNT, hoewel deze bom in theorie een kracht van meer dan 100 megaton TNT kon geven (wat ongeveer 5000 keer meer is dan de kracht van de bom die op Hiroshima is gevallen).de krachtigste bom in de geschiedenis van de mensheid was de tweetraps waterstofbom, die in 1961 door de Sovjet-Unie tot ontploffing werd gebracht. Toen vond er een explosie plaats met een capaciteit van 50 miljoen ton TNT, hoewel deze bom theoretisch in staat was om meer dan 100 megaton TNT te produceren (wat ongeveer 5000 keer meer is dan de kracht van de bom die op Hiroshima is gevallen).
Er zijn echter totaal verschillende krachten nodig om een hele planeet in brand te steken. Om dit te doen, zou de Death Star duizenden van dergelijke röntgenlasers de ruimte in moeten lanceren, die dan tegelijkertijd zouden moeten worden afgevuurd. (Ter vergelijking: op het hoogtepunt van de Koude Oorlog hadden de Verenigde Staten en de Sovjet-Unie elk ongeveer 30.000 atoombommen opgeslagen.) De gecombineerde energie van zo'n groot aantal röntgenlasers zou voldoende zijn geweest om het oppervlak van de planeet te ontsteken. Daarom zou het Galactische Rijk van de toekomst, honderdduizenden jaren van ons verwijderd, natuurlijk zo'n wapen kunnen creëren.
Voor een hoogontwikkelde beschaving is er een andere manier: om een Death Star te creëren die de energie van een kosmische bron van gammastraaluitbarstingen zou gebruiken. Van zo'n Death Star zou een uitbarsting van straling komen, de tweede alleen in kracht na de Big Bang. Bronnen van gammaflitsen zijn een natuurlijk fenomeen, ze bestaan in de ruimte; niettemin is het denkbaar dat ooit een geavanceerde beschaving hun enorme energie zou kunnen gebruiken. Het is mogelijk dat als we de controle nemen over de rotatie van een ster lang voordat deze ineenstort en de geboorte van een hypernova, het mogelijk zal zijn om de "opname" van de bron van gammaflitsen naar elk punt in de ruimte te richten.
Bronnen van gammaflitsen
Kosmische bronnen van GRB's werden voor het eerst opgemerkt in de jaren zeventig. op de Vela-satellieten gelanceerd door Amerikaanse militaire satellieten, ontworpen om "extra flitsen" te detecteren - bewijs van een illegale atoombomexplosie. Maar in plaats van fakkels op het aardoppervlak, registreerden satellieten gigantische uitbarstingen van straling vanuit de ruimte. De eerste verrassende ontdekking veroorzaakte paniek bij het Pentagon: testen de Sovjets nieuwe kernwapens in de verre ruimte? Later werd ontdekt dat de uitbarstingen uniform uit alle richtingen van de hemelbol komen; dit betekende dat ze eigenlijk van buitenaf naar de Melkweg kwamen. Maar als we een echt extragalactische oorsprong van de uitbarstingen aannemen, dan zal hun kracht echt astronomisch blijken te zijn - ze zijn tenslotte in staat om het hele zichtbare universum te "verlichten".
Na de ineenstorting van de Sovjet-Unie in 1990 heeft het Pentagon onverwachts een enorme hoeveelheid astronomische gegevens vrijgegeven. Astronomen waren verbaasd. Ze realiseerden zich plotseling dat ze werden geconfronteerd met een nieuw mysterieus fenomeen van degenen die van tijd tot tijd worden gedwongen om leerboeken en naslagwerken te herschrijven.
De duur van gammastraaluitbarstingen is kort, variërend van enkele seconden tot enkele minuten, dus een zorgvuldig georganiseerd sensorsysteem is nodig om ze te detecteren en te analyseren. Ten eerste registreren satellieten een uitbarsting van gammastraling en sturen ze de exacte coördinaten van de bron naar de aarde. De verkregen coördinaten worden verzonden naar optische of radiotelescopen, die op hun beurt op een bepaald punt in de hemelbol mikken.
Hoewel op dit moment niet alles bekend is over gammastraaluitbarstingen, zegt een van de theorieën over hun oorsprong dat de bronnen van gammastraaluitbarstingen "hypernovae" van buitengewone sterkte zijn, die enorme zwarte gaten achterlaten. In dit geval blijkt dat de bronnen van gammastraaluitbarstingen monsterlijke zwarte gaten zijn in het stadium van vorming.
Maar zwarte gaten zenden twee stralen uit, twee stralingsstromen, van de zuidpool en vanuit het noorden, als een tol. De straling van de gammastraaluitbarsting die we registreren, behoort blijkbaar tot een van deze stromen - degene die naar de aarde bleek te zijn gericht. Als de flux van gammastraling van een dergelijke bron precies op de aarde zou zijn gericht, en de bron zelf in onze galactische omgeving zou zijn (op een afstand van honderden lichtjaren van de aarde), zou zijn kracht voldoende zijn om het leven op onze planeet volledig te vernietigen.
Ten eerste zou een elektromagnetische puls die wordt gegenereerd door röntgenstralen van een bron van gammastraling, alle elektronische apparatuur op aarde hebben uitgeschakeld. Een krachtige bundel röntgen- en gammastraling zou onherstelbare schade toebrengen aan de atmosfeer van de aarde en de beschermende ozonlaag vernietigen. Dan zou een stroom gammastralen het aardoppervlak opwarmen en monsterlijke vuurstormen veroorzaken die uiteindelijk de hele planeet zouden overspoelen. Misschien zou de bron van gammastraaluitbarstingen de planeet niet hebben opgeblazen, zoals te zien is in de film "Star Wars", maar het zou zeker al het leven erop hebben vernietigd en een verkoolde woestijn hebben achtergelaten.
Aangenomen kan worden dat een beschaving die ons in ontwikkeling honderden miljoenen jaren heeft overtroffen, zal leren om dergelijke zwarte gaten op het gewenste doelwit te richten. Dit kan worden bereikt door te leren de beweging van planeten en neutronensterren te beheersen en ze onder een nauwkeurig berekende hoek naar een stervende ster te leiden, net voordat ze instorten. Een relatief kleine inspanning is voldoende om de rotatieas van de ster af te buigen en in de gewenste richting te richten. Dan verandert de stervende ster in het grootste denkbare straalkanon.
Samenvatten. Het gebruik van krachtige lasers voor het maken van draagbare of draagbare straalwapens en lichtzwaarden moet worden geclassificeerd als klasse I onmogelijkheid - hoogstwaarschijnlijk zal dit mogelijk worden in de nabije toekomst, of bijvoorbeeld in de komende honderd jaar. Maar de uiterst moeilijke taak om een roterende ster te richten voordat hij explodeert en hem in een zwart gat te veranderen, d.w.z. hem in een Death Star te veranderen, moet worden beschouwd als een klasse II-onmogelijkheid - iets dat niet duidelijk in tegenspraak is met de wetten van de fysica (de bronnen van gammastraaluitbarstingen bestaan immers in werkelijkheid), maar kan pas ver in de toekomst worden gerealiseerd, na duizenden of zelfs miljoenen jaren.
Uit het boek: "Physics of the Impossible".