Группа ученых из МФТИ, Института космических исследований РАН, Российского федерального ядерного центра (РФЯЦ ВНИИЭФ) и Троицкого института инновационных и термоядерных исследований провела расчёт и лазерное моделирование разрушительного воздействия ядерных взрывов на опасные астероиды. Результаты исследований опубликованы в Журнале экспериментальной и теоретической физики, популярно о исследовании рассказывает пресс-служба МФТИ.

Столкновение с околоземными объектами представляет одну из самых больших опасностей для нашей планеты. Падение крупных небесных тел, таких, как челябинский метеорит (упал на Землю пять лет назад, в феврале 2013 года, рядом с городом Челябинск), могут привести к серьезным разрушений и многочисленным жертвам, а столкновение Земли с небесными телами больше 3 км может стать причиной гибели цивилизации. Так, шестьдесят пять миллионов лет назад Земля столкнулась с объектом диаметром около десяти километров, в результате чего образовался кратер Чиксулуб, и произошло Мел-палеогеновое вымирание, предположительно ставшее причиной вымирания динозавров.

Понимание этой угрозы заставляет ученых разрабатывать меры противоастероидной безопасности. Эти меры включают в себя как обнаружение астероидов и вычисление их орбит, так и стратегии по "обезвреживанию" потенциально опасных объектов. Существует два подхода для решения вопроса защиты Земли: изменение траектории движения астероидов или разрушение их на мелкие осколки, большая часть которых не столкнётся с Землей. К недостатком первого способа относится тот факт, что воздействие на опасные объекты может оказаться сравнительно «слабым» и для существенного отклонения объекта требуется длительный интервал времени. При реализации второго подхода часть осколков пролетит мимо Земли, а мелкие фрагменты разрушатся и сгорят в атмосфере.



При реализации второго подхода важно точно рассчитать мощность заряда и его направленность. «Натурному устранению астероидной опасности с помощью ядерного взрыва на поверхности астероида должны предшествовать расчетные и лабораторные исследования, обеспечивающие адекватную трактовку результатов с учетом эффекта масштабирования. При таком подходе необходимо обеспечить подобные геометрические, структурные и физические (в том числе прочностные) свойства макета-астероида и источника воздействия на него», - поясняли ученые.

Исследование опиралось на проведение ряда экспериментов, в которых ученые смоделировали разрушение астероида ядерным взрывом, "роль" которого выполнило короткое лазерное воздействие на миниатюрную копию астероида. Для корректного моделирования физики создавали миниатюрный макет с плотностью и прочностными характеристиками астероида, повторяли его геометрическую форму, а также обеспечивали равенство характерных давлений в начале ударно-волновой стадии процесса. Это равенство с точностью до коэффициента соответствовало равенству отношения энергии ядерного взрыва к массе астероида и отношения энергии лазерного импульса к массе мини-макета. Например, для астероида диаметром 200 метров и необходимой для разрушения энергией 6 мегатонн аналогом служила копия диаметром 8–10 миллиметров и разрушающим лазерным импульсом в 500 Дж. 

Исследователи разработали технологию изготовления искусственного вещества каменных (хондритовых) астероидов с заданными свойствами — это наиболее распространенный тип астероидов (более 90%). Учитывались химический состав, плотность, пористость, прочность. Из цилиндрических образцов искусственного астероидного вещества были изготовлены образцы разных форм: шаровидные, эллипсоидные, кубические и других форм.



Исследования проводились на лазерных установках «ИСКРА-5», «ЛУЧ» и «САТУРН». Лазерное излучение сначала усиливалось до нужной мощности, а затем направлялось на закрепленный в экспериментальной вакуумной камере взаимодействия мини-макет. В эксперименте обеспечивалась возможность боковой и тыльной диагностики разрушения и регистрации разлёта осколков макета астероида. Среднее время лазерного воздействия на макет — от 0,5 до 30 наносекунд.

Для оценки критерия заведомого разрушения был принят во внимание процесс падения челябинского астероида. Он имел начальный размер около 20 м и при прохождении атмосферы раздробился на мелкие фрагменты, не нанёсшие катастрофического урона. Таким образом, для исходного размера астероида в 200 м можно говорить о его заведомом разрушении при дроблении на осколки, имеющие линейный размер в 10 раз и массу в 1000 раз меньше исходных. Очевидно, что данная оценка справедлива, если угол вхождения астероида в атмосферу Земли и траектория движения его осколков в атмосфере близки к траектории челябинского астероида.

Также учёные пытались ответить на вопрос: может ли эффект разрушения «накапливаться», можно ли заменить один сильный взрыв несколькими последовательно запущенными, но с меньшей мощностью? Было обнаружено, что с точки зрения общего критерия разрушения несколько более слабых импульсов (как одновременных, так и последовательных) не дают заметного преимущества по сравнению с однократным импульсом суммарной мощности.

В нескольких экспериментах лазерное излучение вводилось в углубление, предварительно подготовленное в мини-макете. Для разрушения макетов при таких условиях необходимо меньшее количество удельной энергии (500 Дж/г вместо 650 Дж/г), что связано с большей эффективностью воздействия заглублённого взрыва.



Как показали эксперименты, опасный для Земли астероид хондритного типа диаметром 200 м может быть разрушен ядерным взрывом с энергией свыше 3 мегатонн. Учёные планируют продолжить исследования с мини-макетами различной прочности и состава, в том числе с макетами каменно-ледяных и железоникелевых астероидов, а также работы по уточнению влияния формы макетов и наличия углублений на критерий заведомого разрушения.

«Наша база коэффициентов и зависимостей для разного типа астероидов позволит оперативно смоделировать взрыв и найти критерии разрушения. Пока явной опасности нет, и у нашей команды есть время доработать методику спасения нашей планеты от катастрофы. Параллельно работаем над моделированием отклонения астероида без его разрушения и надеемся на международную вовлечённость в процесс», — так прокомментировал космическими планами один из авторов исследования, доцент кафедры прикладной физики и кафедры лазерных систем и структурированных материалов МФТИ Владимир Юфа.

Ранее томские ученые предложили другое оригинальное решение этой проблемы- взрывать астероиды не при приближении к Земле, а при удалении, причем направленность взрыва была разработана с помощью суперкомпьютера СКИФ Cyberia так, чтобы радиоактивные обломки не попали на Землю.