Vegyük át a lézerfegyver alapjait

Mit is ír a hogyishívják? Lézerágyúval lövik le a drónt, azt mondja hogy "Az irányított energiaimpulzus költsége kevesebb, mint egy dollár", meg hogy "Klunder elmondta, hogy nem egy olyan eszközről van szó, ami több ezer vagy több millió dollárba kerül, márpedig a legolcsóbb tüzérségi eszköz egy amerikai hadihajón legalább ötezer dollár lövésenként". És persze hogy 2013-ban már az USS Ponce hadihajóra (LPD, partra szállító dokkhajó) már lézerfegyvert szerelnek. A média (írott, mozgóképes és netes) pedig hullámozva ajnározza az új korszakot.

A teljesség kedvéért tegyük hozzá, hogy sok más oldalt is linkelhetnénk, a Wired-től az Endgateten át a Foxnews-ig. Na jó, a Foxnews nem sokat számít, de akkor is. Ám várjunk csak, mintha dèja vu érzésem lenne...

A lézerfegyver működésének alapjai

Nem kell félni, nem megyek vissza az alapokig, azt azért remélem, mindenki tudja, hogy a lézer ugye egy koherens fénynyaláb, amelyben a fotonok egy irányban haladnak. A fotonnal való lövés nem feltétlenül jelenti azt, hogy energiára van szükséged, sőt, a nagy teljesítményű lézerek jó része inkább kémiai reakció segítségével vannak létrehozva, ennek előnye, hogy nem kell mega-giga-petawattos reaktor a lézerágyúhoz, hátránya, hogy ha kifogy a kémiai üzemanyag, akkor a lézerágyú 'elhallgat'.

A lézernél az energiaforrást használóak között megtaláljuk a 'fénnyel generált' szilárdtest lézereket, a gázlézereket, fém-gőz lézereket, stb., igazság szerint kismillió változatuk van, attól függően, hogy miként gerjesztik a lézernyalábot.

A YAL-1A „lézertornya”, nem tűnik egyszerűnek, igaz?

Az ilyen fegyvereknél a fő probléma a fókusz. Először is a hatalmas energiát a cél felé kell valahogy tornászni, ami annyit tesz, hogy tükrökkel a kiindulási hely felől a cél felé kell téríteni. Induljunk el a lézerforrástól, mondjuk 100kW-os optikai teljesítményű, mondjuk egy tükörrendszer irányítja a cél irányába, a vesztesége legye például 5%-os, ez annyit tesz, hogy 5kW hőteljesítmény fog a tükörrendszerben létrejönni, amit valahogy el kell vezetni. E közben ennek a tükörnek a cél felé kell téríteni az energiát, de úgy, hogy a célponton az energia a lehető legkisebb felületen realizálódjon.

Ha a fókusz rossz, akkor a fegyver hatékonysága romlik, hiába van egy 1 megawattos lézered, ha a célponton 10 méteres körben éri el, akkor legfeljebb csak kicsit felmelegíti, de ha egy milliméteres pontban, akkor ott a másodperc tört része alatt keresztüléget mindent. Akár messzebb, akár közelebb van a célpont, mint a beállított fókusztávolság, a lézer máris nagyobb felületnek adja át az energiát, vagyis kisebb lesz az elért hatás. A fókusz miatt persze tudni kell a célpont pontos távolságát is, sőt, amennyiben a lézerfegyvert itt a Földön használjuk, akkor a légköri torzításokat is bele kell számolni a képletbe. Nem egyszerű a lézerfegyver-tervezők élete, ugye?

Itt még egy apróság: mi a különbség a "folyamatos", és a pulzuslézer között? A pulzuslézer nevében szereplően nem egy folyamatos lézersugarat, hanem sok-sok kisebb energiájú lézersugarat bocsát ki. A különbség érzékletesen az, hogy egy 1 Megajoule energiájú sima lézersugár kb. olyan hatást fejt ki a célponton, mint egy pár kilogramm tömegű TNT-vel egyenértékű robbanás, mivel a célban a hatalmas energiaátadás miatt felhevül, ettől jelentősen kiterjed (egy köbcenti acélból 10.000 kelvin fokon egy köbméternyi fémgőz/plazma lesz), ez okozza az igazi rombolást.

A pulzuslézer ellenben olyasmi, mint egy ütvefúrógép. Az energiát kis lépésekben adja át, mindig egy kicsit párologtatva el a páncélból, vagy ami éppen ott van, és a pulzusok közötti "szünet" nagyszerűen alkalmas arra, hogy a párolgó fém (vagy mi) füstje/gőze kicsit oszoljon, mert ugye különben elnyeli az energiánkat, márpedig mi nem a már elpárologtatott anyaggal akarunk további energiát közölni, hanem a mögötte lévő, még sértetlen anyaggal. No persze, ez a folyamat nagyon gyorsan zajlik le...

A lézerfegyvereknél kritikus pont a hatásfok kérdése. Jól hangzik egy 100 kW-os lézer, de ha a hatásfoka 10%, akkor 1 MW elektromos (vagy kémiai) teljesítményre van szükség, és ebből 900 kW hulladékhő keletkezik, amit el kell vezetnünk, különben az ellenfél helyett (vagy mellett) saját magunkat sütjük ropogósra. Jelenleg a legtöbb kísérleti lézerfegyver 10-20% közötti tartományban mozog.

A YAL-1A hasa, és egy reaktormodul nyílásai, amelyeken keresztül a reakciótermékek és vele a hő nagy része távozhat...

Felmerülhet a kérdés, hogy szépek ezek a kW és MW értékek (és már MegaJoule-al is jöttem... ejj), de emlegetnek már 200 petawatt szintű lézereket is (ahol ráadásul magyar tudósok és mérnökök is érintettek). Márpedig ez így nagyon furcsán hangzik. Nos, a válasz meglehetősen egyszerű: a teljesítménynél fontos meghatározni, hogy mennyi idő alatt adja le a lézer az adott energiát.

A 100 wattos izzó esetén senki sem teszi fel a kérdést, 100 wattot fogyaszt egy óra alatt (100 Wh). Nos, ez a lézereknél is így van, szóval az ilyen tera- és petawattos teljesítménynél egyszerűen akkor lenne ilyen teljesítményszint, ha egy órán át folyamatosan működne - ami hozzávetőleg fizikai képtelenség jelenlegi tudásunkkal, ehelyett ez esetben picomásodpercekig (a pico a 10 a mínusz 12-edikent jelent, vagyis egy picomásodperc az 0.000,000,000,001 másodperc) tartó lézernyalábokról beszélünk.

A jelenlegi legerősebb lézer 192 nyalábbal 1.89 MJ energiát közölt mindössze 20 picomásodperc alatt, és ez így összesítve 423 Terawattos teljesítményű lézernyaláb volt. De hiába a terawatt, ha a realizált energia meglehetősen kevésnek tűnik, vegyük viszonyításképpen azt, hogy egy liter benzinben hozzávetőleg 34MJ energia van - csakhogy azt elég nehéz lenne picomásodpercek alatt kinyerni belőle.

Az elektromosan gerjesztett lézereknél két lehetőségünk van tehát: vagy olyan energiaforrásunk van, amelyik képes a folyamatosan is táplálni a lézerünket, vagy pedig kondenzátorokat iktatunk be, amelyek egy-egy lövésre szükséges energiát tárolnak, majd feltöltjük őket a következő lövés előtt. Az ilyen elektromos gerjesztésű lézerek teljesítményszintje most még csak pár tucat kW-os szinten mozog.

A másik lehetőség a kémiai lézer, ennél egy kémiai reakció hozza létre a lézernyalábot, de elektromos energia helyett itt üzemanyagra van szükségünk. Jelenleg a nagy teljesítményű (100kW plusz) lézerek mind ilyen megoldással élnek.

Vannak még elég kacifántos megoldások a lézernyaláb gerjesztésére, ám ezek jelenleg még inkább csak a laboratóriumokban találhatóak meg, vagy pedig a velük elérhető teljesítményszint alkalmatlan a katonai alkalmazásra...

A cikk még nem ért véget, kérlek, lapozz!