A Estrela da Morte é uma arma colossal do tamanho de uma lua boa. Atirando à queima-roupa no planeta indefeso de Alderaan, a pátria da Princesa Leia, a Estrela da Morte o destrói completamente. O planeta desaparece nas chamas de uma explosão titânica, espalhando detritos por todo o sistema solar. Um bilhão de almas simultaneamente gritam em agonia, causando uma indignação na Força que é sentida em qualquer lugar da galáxia.
Mas uma arma como a Estrela da Morte do filme Star Wars é realmente possível? É possível organizar e direcionar uma bateria de canhões de laser de forma que um planeta inteiro evapore como resultado? E sobre os famosos sabres de luz que Luke Skywalker e Darth Vader empunhavam, que são um feixe de luz, mas podem facilmente cortar aço blindado? Será que os rayguns, como os phasers de Star Trek, se tornarão a arma certa para as futuras gerações de policiais e soldados?
Os novos, originais e estonteantes efeitos especiais de Star Wars causaram uma impressão convincente em milhões de telespectadores, mas os críticos tiveram uma opinião diferente. Alguns deles argumentaram que sim, é claro, os cineastas tentaram sinceramente entreter o espectador, mas na verdade, essas coisas são completamente impossíveis. Os críticos nunca se cansam de repetir como um encantamento: canhões de raio do tamanho da lua, capazes de explodir um planeta inteiro em pequenos pedaços, é algo inédito; espadas de um feixe de luz de repente endurecido também são impossíveis. Tudo isso é demais até para uma galáxia muito distante. Desta vez, George Lucas, o aclamado mestre dos efeitos especiais, derrapou um pouco.
Pode ser difícil de acreditar, mas uma quantidade ilimitada de energia pode ser “inserida” em um feixe de luz; não há limitações físicas. A criação de uma Estrela da Morte ou sabre de luz não contradiz nenhuma lei da física. Além disso, feixes de radiação gama capazes de explodir o planeta realmente existem na natureza. A titânica explosão de radiação gerada por uma fonte distante e misteriosa de explosões de raios gama é capaz de criar uma explosão no espaço profundo, perdendo apenas em potência para o próprio Big Bang. Qualquer planeta que conseguir estar à vista de tal "arma" será realmente frito ou feito em pedaços.
Armas de feixe na história
O sonho de aproveitar a energia da radiação não é nada novo; suas raízes remontam à religião e mitologia antigas. O deus grego Zeus é famoso por atirar raios em mortais. O deus do norte Thor empunhava um martelo mágico, Mjellnir, capaz de lançar relâmpagos, enquanto o deus hindu Indra disparava um feixe de energia de uma lança mágica.
A ideia do raio como uma arma prática real apareceu pela primeira vez nas obras do grande matemático grego Arquimedes, talvez o maior cientista da antiguidade, que conseguiu desenvolver sua própria versão do cálculo diferencial primitivo dois mil anos antes de Newton e Leibniz. Acredita-se que na lendária batalha de 214 AC. contra as tropas do general romano Marcelo durante a Segunda Guerra Púnica, Arquimedes, ajudando a defender o reino de Siracusa, construiu uma grande bateria de refletores solares, focalizou os raios do sol nas velas dos navios inimigos e os incendiou. (Os cientistas ainda estão debatendo se tal arma de raio poderia realmente funcionar; vários grupos de cientistas tentaram, com resultados variados, replicar essa conquista.)
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As armas de luz chegaram às páginas da ficção científica em 1889 com o clássico War of the Worlds de HG Wells. Neste romance, alienígenas de Marte destruíram cidades inteiras direcionando feixes de energia térmica de canhões montados em seus tripés para eles. Durante a Segunda Guerra Mundial, os nazistas, sempre dispostos a pesquisar e adotar os últimos avanços tecnológicos para utilizá-los na conquista do mundo, também experimentaram vários tipos de pistolas de raios, incluindo dispositivos acústicos que focalizavam poderosos feixes de som por meio de espelhos parabólicos.
A arma, que é um feixe de luz focalizado, capturou a imaginação do público após o lançamento do filme de James Bond Goldfinger; foi o primeiro filme de Hollywood a apresentar um laser. (Nele, o lendário espião britânico estava amarrado a uma mesa de metal, e um poderoso feixe de laser se aproximou dele lentamente, derretendo gradualmente a mesa entre suas pernas e ameaçando cortar o herói ao meio.)
Inicialmente, os físicos apenas riram da ideia de armas de feixe, expressa no romance de Wells, porque tais armas violavam as leis conhecidas da ótica. De acordo com as equações de Maxwell, a luz que vemos ao nosso redor é incoerente (ou seja, é uma confusão de ondas com diferentes frequências e fases) e se espalha rapidamente. Já se acreditava que um feixe de luz coerente, focalizado e uniforme - como um feixe de laser - era impossível de se alcançar.
Revolução quântica
Tudo mudou após o advento da teoria quântica. Já no início do século XX. ficou claro que, embora as leis de Newton e as equações de Maxwell descrevam com muito sucesso o movimento dos planetas e o comportamento da luz, há toda uma classe de fenômenos que eles não podem explicar. Infelizmente, eles não disseram nada sobre por que os materiais conduzem eletricidade, por que os metais derretem em certas temperaturas, por que os gases emitem luz quando aquecidos, por que algumas substâncias se tornam supercondutoras em baixas temperaturas. Para responder a qualquer uma dessas perguntas, é necessário entender a dinâmica interna dos átomos. A revolução está madura. A física newtoniana, após 250 anos de domínio, esperava sua queda; ao mesmo tempo, o colapso do velho ídolo deveria anunciar o início das dores de parto da nova física.
Em 1900, Max Planck na Alemanha sugeriu que a energia não é contínua, como Newton acreditava, mas existe na forma de pequenas "porções" discretas chamadas "quanta". Então, em 1905, Einstein postulou que a luz também é composta por esses minúsculos pacotes discretos (ou quanta), mais tarde chamados de fótons. Com essa ideia simples, mas poderosa, Einstein conseguiu explicar o efeito fotoelétrico, ou seja, por que os metais, quando irradiados com luz, emitem elétrons. Hoje, o efeito fotoelétrico e o fóton são a base da televisão, dos lasers, dos painéis solares e de grande parte da eletrônica moderna. (A teoria do fóton de Einstein foi tão revolucionária que até Max Planck, que geralmente apoiava ardentemente Einstein, a princípio não pôde acreditar nela. Planck escreveu sobre Einstein: “O fatoque às vezes ele perde … como, por exemplo, ele fez com a hipótese dos quanta de luz, não se pode, em plena consciência, culpá-lo. ")
Então, em 1913, o físico dinamarquês Niels Bohr nos deu uma imagem completamente nova do átomo; O átomo de Bohr parecia um sistema solar em miniatura. Mas, ao contrário do sistema solar real, os elétrons em um átomo podem se mover ao redor do núcleo apenas dentro de órbitas ou camadas discretas. Quando um elétron "salta" de uma camada para outra, que está mais perto do núcleo e tem menos energia, ele emite um fóton de energia. Por outro lado, quando um elétron absorve um fóton com uma certa energia, ele "salta" mais alto, para uma camada que está mais longe do núcleo e tem uma energia mais alta.
Em 1925, com o advento da mecânica quântica e o trabalho revolucionário de Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg e muitos outros, uma teoria quase completa do átomo nasceu. De acordo com a teoria quântica, um elétron era uma partícula, mas também tinha uma onda associada, que lhe conferia as propriedades de partícula e de onda. Essa onda obedecia à chamada equação de onda de Schrödinger, que permitia calcular as propriedades do átomo, incluindo todos os "saltos" de elétrons postulados por Bohr.
Até 1925, os átomos eram considerados objetos misteriosos; muitos, como o filósofo Ernst Mach, não acreditavam em sua existência. Depois de 1925, o homem teve a oportunidade não apenas de examinar profundamente a dinâmica do átomo, mas também de prever suas propriedades de maneira bastante confiável. Surpreendentemente, isso significava que, com um computador suficientemente poderoso à mão, era possível deduzir as propriedades dos elementos químicos diretamente das leis da teoria quântica. Assim como a física newtoniana, com uma máquina de computação suficientemente grande, permitiria aos cientistas calcular o movimento de todos os corpos celestes do universo, a física quântica, de acordo com os cientistas, tornou possível, em princípio, calcular todas as propriedades dos elementos químicos do universo, sem exceção. Além disso, ter um computador suficientemente poderoso,pode-se compor a função de onda completa de um ser humano.
Masers e lasers
Em 1953, o professor Charles Townes, da Universidade da Califórnia em Berkeley, junto com seus colegas, conseguiu obter o primeiro feixe de radiação coerente, a saber, as microondas. O dispositivo foi chamado de maser (maser - após as primeiras letras da frase "amplificação de microondas por emissão estimulada de radiação", ou seja, "amplificação de microondas por estimulação de radiação".) Mais tarde, em 1964, Townes, juntamente com os físicos russos Nikolai Basov e Alexander Prokhorov recebeu o Prêmio Nobel. Logo, os resultados dos cientistas foram estendidos à luz visível. O laser nasceu. (O phaser, por outro lado, é um dispositivo fantástico que ficou famoso por Star Trek.)
A base do laser é um meio especial que realmente transmite o feixe de laser; pode ser um gás especial, cristal ou diodo. Em seguida, você precisa bombear energia de fora para este ambiente - usando eletricidade, ondas de rádio, luz ou uma reação química. O influxo inesperado de energia excita os átomos no meio, fazendo com que os elétrons absorvam energia e saltem para as camadas externas de elétrons de alta energia.
Nesse estado de excitação e bombeamento, o meio se torna instável. Se, depois disso, um feixe de luz for direcionado através dele, os fótons do feixe, colidindo com os átomos, causarão um súbito despejo de elétrons para órbitas inferiores e a liberação de fótons adicionais. Esses fótons, por sua vez, farão com que ainda mais elétrons emitam fótons - e logo uma reação em cadeia de átomos "colapsam" para um estado não excitado começará com a liberação quase simultânea de uma grande quantidade de fótons - trilhões e trilhões deles - todos no mesmo feixe. A característica fundamental desse processo é que em algumas substâncias, com uma liberação semelhante a uma avalanche, todos os fótons vibram em uníssono, ou seja, são coerentes.
(Imagine dominós alinhados em uma fileira. No estado de energia mais baixa, cada junta fica plana sobre a mesa. No estado inflado de alta energia, as juntas ficam eretas, como os átomos inflados de um médium. Ao empurrar uma junta, você pode causar uma liberação simultânea repentina de toda essa energia, assim como o mesmo que acontece no nascimento de um feixe de laser.)
Apenas alguns materiais são capazes de funcionar em um laser; isso significa que apenas em substâncias especiais, quando um fóton colide com um átomo excitado, um fóton é emitido coerente com o primeiro. Essa propriedade da matéria leva ao fato de que todos os fótons no fluxo emergente vibram em uníssono, criando um feixe de laser fino. (Ao contrário da lenda popular, o feixe de laser nem sempre permanece tão fino quanto no início. Por exemplo, um feixe de laser disparado contra a Lua se expandirá gradualmente ao longo do caminho e dará um ponto de vários quilômetros de tamanho na superfície da Lua.)
Um laser de gás simples é um tubo cheio de uma mistura de hélio e neon. Quando a eletricidade passa pelo tubo, os átomos absorvem energia e ficam excitados. Então, se houver uma liberação repentina de toda a energia armazenada no gás, um feixe de luz coerente nasce. Este feixe é amplificado por dois espelhos instalados em ambas as extremidades do tubo, de modo que o feixe é refletido deles por sua vez e corre ao longo do tubo de lado a lado. Um dos espelhos é completamente opaco, mas o outro transmite uma pequena fração da luz incidente, liberando o feixe para fora.
Hoje, os lasers podem ser encontrados em todos os lugares - na caixa registradora do supermercado, no cabo de fibra óptica que dá acesso à Internet, em uma impressora a laser ou CD player e em um computador moderno. Os lasers são usados em cirurgia ocular, remoção de tatuagens e até mesmo em salões de beleza. Em 2004, os lasers foram vendidos em todo o mundo por mais de US $ 5,4 bilhões.
Tipos de lasers e seus recursos
Novos lasers estão sendo descobertos quase todos os dias agora; via de regra, estamos falando da descoberta de uma nova substância que pode atuar em um laser, ou da invenção de um novo método de bombear energia para o fluido de trabalho.
A questão é: essas tecnologias são adequadas para fazer armas de raios ou sabres de luz? Você pode construir um laser grande o suficiente para alimentar a Estrela da Morte? Hoje, existe uma variedade impressionante de lasers que podem ser classificados de acordo com o material do fluido de trabalho e a forma como a energia é bombeada (pode ser eletricidade, um poderoso feixe de luz, até mesmo uma explosão química). Listamos vários tipos de lasers.
• Lasers de gás. Esta categoria também inclui os lasers de hélio-neon extremamente comuns, que produzem um feixe vermelho muito familiar. Eles são bombeados com ondas de rádio ou eletricidade. Os lasers de hélio-neon são de baixa potência. Mas os lasers de gás de dióxido de carbono podem ser usados para operações de detonação, para cortar e fundir metais na indústria pesada; eles são capazes de fornecer um feixe extremamente poderoso e completamente invisível;
• Lasers químicos. Esses lasers poderosos são carregados por reações químicas, como a combustão de etileno e trifluoreto de nitrogênio NF3. Esses lasers são poderosos o suficiente para serem usados no campo militar. Nos Estados Unidos, o princípio químico de bombeamento é usado em lasers de combate aéreo e terrestre capazes de fornecer um feixe de energia na casa dos milhões de watts e projetado para derrubar mísseis de curto alcance em vôo.
• lasers Excimer. Esses lasers também obtêm sua energia de uma reação química, que geralmente envolve um gás inerte (ou seja, argônio, criptônio ou xenônio) e algum tipo de flúor ou cloreto. Eles emitem luz ultravioleta e podem ser usados na indústria eletrônica para gravar transistores minúsculos em chips semicondutores e em cirurgia ocular para as melhores operações Lasik.
• Lasers semicondutores. Os diodos que usamos amplamente em todos os tipos de dispositivos eletrônicos podem produzir feixes de laser poderosos, que são usados nas indústrias de corte e soldagem. Esses mesmos lasers semicondutores também funcionam em caixas registradoras, lendo códigos de barras dos produtos escolhidos.
• Dye lasers. Esses lasers usam corantes orgânicos como meio de trabalho. Eles são extremamente úteis na geração de pulsos ultracurtos de luz, que geralmente são da ordem de um trilionésimo de segundo.
Lasers e armas de raio?
Dada a enorme variedade de lasers comerciais e o poder dos lasers militares, é difícil não se perguntar por que não temos armas de raio e canhões adequados para uso no campo de batalha. Em filmes de ficção científica, armas de raio e pistolas de um tipo ou de outro tendem a ser as armas mais comuns e familiares. Por que não estamos trabalhando em tal arma?
A resposta simples para essa pergunta é que não temos fontes de energia portáteis suficientes. Isso não é uma bagatela. Armas de raio exigiriam baterias em miniatura, do tamanho de uma palma, mas combinando com a potência de uma enorme usina de energia. Atualmente, a única maneira de obter energia para uso em uma grande usina é construindo uma. E o menor dispositivo militar capaz de servir de recipiente para tais energias é uma bomba de hidrogênio em miniatura, que, infelizmente, pode destruir não só o alvo, mas também a si mesmo.
Há também um segundo problema - a estabilidade da substância emissora ou fluido de trabalho. Em teoria, não há limite para a quantidade de energia que pode ser bombeada para um laser. Mas o problema é que o corpo de uma pistola laser portátil seria instável. Lasers de cristal, por exemplo, superaquecem e racham se você bombear muita energia neles. Conseqüentemente, a criação de um laser extremamente poderoso - que pode vaporizar um objeto ou neutralizar um inimigo - pode exigir energia explosiva. Nesse caso, naturalmente, não se pode mais pensar na estabilidade do fluido de trabalho, pois o nosso laser será descartável.
Problemas com o desenvolvimento de fontes de energia portáteis e materiais emissores estáveis tornam a existência de armas de raios impossível com o atual estado da arte. Em geral, você pode criar uma arma de raios apenas se levar um cabo de uma fonte de alimentação para ela. Talvez com o uso da nanotecnologia, possamos algum dia ser capazes de criar baterias em miniatura que podem armazenar ou gerar energia que seria suficiente para criar rajadas poderosas - um atributo necessário das armas laser portáteis. Atualmente, como vimos, a nanotecnologia está em sua infância. Sim, os cientistas conseguiram criar alguns dispositivos em nível atômico - muito engenhosos, mas completamente impraticáveis, como o ábaco atômico ou a guitarra atômica. Mas pode muito bem acontecer que o que mais neste ou, digamos,no próximo século, a nanotecnologia realmente nos dará baterias em miniatura para armazenar quantidades fabulosas de energia.
Os sabres de luz têm o mesmo problema. Com o lançamento de Star Wars em 1970, os sabres de luz de brinquedo se tornaram um sucesso instantâneo entre os meninos. Muitos críticos consideram seu dever apontar que, na realidade, tais dispositivos são impossíveis. Primeiro, a luz não pode ser solidificada. A luz se move na velocidade da luz, então é impossível solidificá-la. Em segundo lugar, um feixe de luz não pode ser cortado abruptamente no espaço, como fazem os sabres de luz em Star Wars. O raio de luz não pode ser interrompido, está sempre em movimento; um verdadeiro sabre de luz iria longe no céu.
Na verdade, existe uma maneira de fazer uma espécie de sabre de luz de plasma, ou gás ionizado superaquecido. Se o plasma for aquecido o suficiente, ele brilhará no escuro e cortará aço, aliás, também. Um sabre de luz de plasma pode ser um tubo telescópico fino que sai de uma alça.
O plasma quente é liberado no tubo a partir da alça, que então sai por pequenos orifícios ao longo de todo o comprimento da "lâmina". O plasma sobe do cabo ao longo da lâmina e sai em um longo cilindro brilhante de gás superaquecido, quente o suficiente para derreter aço. Esse dispositivo às vezes é chamado de tocha de plasma.
Assim, podemos criar um dispositivo de alta energia que se assemelha a um sabre de luz. Mas aqui, como na situação com armas de raio, você primeiro terá que adquirir uma bateria portátil poderosa. Então, ou você usa a nanotecnologia para criar uma bateria em miniatura que pode fornecer ao seu sabre de luz uma enorme quantidade de energia, ou você precisa conectá-lo a uma fonte de energia usando um cabo longo.
Assim, embora as armas de raios e sabres de luz possam ser feitos de alguma forma hoje, as armas manuais que vemos nos filmes de ficção científica não são possíveis com o estado da arte atual. Mas mais tarde neste século, ou talvez no próximo, o desenvolvimento da ciência dos materiais e da nanotecnologia pode muito bem levar à criação de um ou outro tipo de arma de feixe, o que nos permite defini-la como uma impossibilidade de Classe I.
Energia para a Estrela da Morte
Para construir a Estrela da Morte, um canhão de laser capaz de destruir um planeta inteiro e aterrorizar a galáxia, como mostrado em Star Wars, você precisa criar o laser mais poderoso que se possa imaginar. Atualmente, os lasers mais potentes da Terra provavelmente são usados para obter temperaturas que na natureza só podem ser encontradas nos núcleos das estrelas. Talvez esses lasers e os reatores de fusão baseados neles algum dia nos ajudem na Terra a aproveitar a energia estelar.
Em reatores de fusão, os cientistas estão tentando reproduzir os processos que ocorrem no espaço durante a formação de uma estrela. No início, a estrela aparece como uma enorme bola de hidrogênio não formado. Então, as forças gravitacionais comprimem o gás e assim o aquecem; gradualmente a temperatura interna atinge valores astronômicos. Por exemplo, no coração de uma estrela, a temperatura pode aumentar para 50-100 milhões de graus. É quente o suficiente para os núcleos de hidrogênio se unirem; neste caso, aparecem núcleos de hélio e a energia é liberada. No processo de fusão do hélio do hidrogênio, uma pequena parte da massa é convertida em energia de acordo com a famosa fórmula de Einstein E = mc2. Esta é a fonte da qual a estrela retira sua energia.
Os cientistas estão atualmente tentando aproveitar a energia da fusão nuclear de duas maneiras. Ambos os caminhos se mostraram muito mais difíceis de implementar do que se pensava anteriormente.
Confinamento inercial para fusão a laser
O primeiro método é baseado no chamado confinamento inercial. Com a ajuda dos lasers mais poderosos da Terra, um pedaço do sol é criado artificialmente em laboratório. O laser de vidro de neodímio de estado sólido é ideal para reproduzir as temperaturas mais altas encontradas apenas em núcleos estelares. O experimento usa sistemas de laser do tamanho de uma boa fábrica; uma bateria de lasers em tal sistema dispara uma série de feixes paralelos em um longo túnel. Esses poderosos feixes de laser são então refletidos de um sistema de pequenos espelhos montados em torno do volume esférico. Os espelhos focam com precisão todos os feixes de laser, direcionando-os para uma pequena bola de material rico em hidrogênio (como deutereto de lítio, o ingrediente ativo em uma bomba de hidrogênio). Os cientistas geralmente usam uma bola do tamanho da cabeça de um alfinete e pesa apenas cerca de 10 mg.
O flash do laser aquece instantaneamente a superfície da bola, fazendo com que a camada superior da substância evapore e a bola desmorone bruscamente. Ela "entra em colapso", e a onda de choque resultante atinge seu próprio centro e faz a temperatura dentro da bola pular para milhões de graus - o nível necessário para a fusão dos núcleos de hidrogênio para formar núcleos de hélio. A temperatura e a pressão atingem valores astronômicos tais que se cumpre o critério de Lawson, o mesmo que também se cumpre nos núcleos das estrelas e nas explosões de bombas de hidrogênio. (O critério de Lawson estabelece que certos níveis de temperatura, densidade e tempo de retenção devem ser alcançados para desencadear uma reação de fusão termonuclear em uma bomba de hidrogênio, estrela ou reator.)
No processo de fusão termonuclear de confinamento inercial, uma grande quantidade de energia é liberada, inclusive na forma de nêutrons. (A temperatura do deutereto de lítio pode chegar a 100 milhões de graus Celsius, e a densidade é vinte vezes maior que a do chumbo.) Há uma explosão de radiação de nêutrons da bola. Os nêutrons caem em uma “manta” esférica de matéria que envolve a câmara do reator e a aquecem. Então, o calor resultante é usado para ferver a água, e o vapor já pode ser usado para girar a turbina e gerar eletricidade.
O problema, entretanto, é focalizar os feixes de alta energia e espalhar sua radiação uniformemente sobre a superfície da pequena bola. A primeira grande tentativa de fusão a laser foi o Shiva, um sistema de laser de vinte feixes construído no Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) e lançado em 1978 (Shiva é a deusa multi-armada do panteão hindu, uma reminiscência de um sistema de laser de multi-feixe). "Shiva" provou ser desanimador; no entanto, com a sua ajuda, foi possível provar que a fusão termonuclear a laser é tecnicamente possível. Mais tarde, o "Shiva" foi substituído pelo laser "Nova", que ultrapassou em dez vezes o poder do "Shiva". Mas o "Nova" não foi capaz de fornecer a ignição adequada da bola de hidrogênio. No entanto,ambos os sistemas pavimentaram o caminho para pesquisas direcionadas na nova Instalação Nacional de Ignição (NIF), cuja construção começou no LLNL em 1997.
O NIF deve começar a funcionar em 2009. Esta máquina monstruosa é uma bateria de 192 lasers que produzem uma enorme potência de 700 trilhões de watts em um pulso curto (a produção total de aproximadamente 70.000 grandes unidades de energia nuclear). É um sistema laser de última geração projetado especificamente para a fusão completa de bolas saturadas de hidrogênio. (Os críticos também apontam para seu óbvio significado militar - afinal, tal sistema é capaz de simular o processo de detonação de uma bomba de hidrogênio; talvez crie um novo tipo de arma nuclear - uma bomba baseada exclusivamente no processo de fusão, que não requer mais carga atômica de urânio ou plutônio para detonar.)
Mas mesmo o sistema NIF, projetado para garantir o processo de fusão termonuclear e incorporando os lasers mais poderosos da Terra, não pode nem remotamente se comparar em poder com o poder destrutivo da Estrela da Morte, conhecido por nós desde Guerra nas Estrelas. Para criar tal dispositivo, teremos que procurar outras fontes de energia.
Confinamento magnético para fusão
O segundo método que os cientistas poderiam, em princípio, usar para energizar Death Rides é conhecido como confinamento magnético - o processo pelo qual um plasma de hidrogênio quente é mantido no lugar por um campo magnético.
Este método, muito possivelmente, servirá como um protótipo para os primeiros reatores termonucleares comerciais. Atualmente, o projeto mais avançado desse tipo é o International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER). Em 2006, vários países (incluindo a União Europeia, os Estados Unidos, China, Japão, Coréia, Rússia e Índia) decidiram construir esse reator em Cadarache, no sul da França. Nele, o hidrogênio deve ser aquecido até 100 milhões de graus Celsius. É possível que o ITER se torne o primeiro reator de fusão da história que será capaz de produzir mais energia do que consome. Ele é projetado para produzir 500 MW de potência em 500 segundos (o recorde atual é de 16 MW em um segundo). Está previsto que o primeiro plasma seja produzido no ITER até 2016,e a instalação estará totalmente operacional em 2022. O projeto vale US $ 12 bilhões e é o terceiro projeto de ciência mais caro da história (depois do Projeto Manhattan e da Estação Espacial Internacional).
Na aparência, a instalação do ITER se parece com um grande donut, trançado do lado de fora com enormes anéis de enrolamento elétrico; hidrogênio circula dentro do donut. O enrolamento é resfriado a um estado de supercondutividade e, em seguida, uma grande quantidade de eletricidade é bombeada para ele, criando um campo magnético que mantém o plasma dentro do donut. Quando uma corrente elétrica passa diretamente pelo donut, o gás dentro dele aquece a temperaturas estelares.
O motivo pelo qual os cientistas estão tão interessados no projeto ITER é simples: no futuro, ele promete criar fontes de energia baratas. Os reatores de fusão são alimentados por água do mar comum, rica em hidrogênio. Acontece, pelo menos no papel, que a fusão termonuclear pode nos fornecer uma fonte de energia barata e inesgotável.
Então, por que ainda não temos reatores de fusão? Por que já faz várias décadas - desde o momento na década de 1950. um diagrama de processo foi desenvolvido - não podemos obter resultados reais? O problema é que o combustível de hidrogênio é incrivelmente difícil de comprimir uniformemente. Nos núcleos das estrelas, a gravidade força o hidrogênio a assumir uma forma perfeitamente esférica, fazendo com que o gás se aqueça de maneira limpa e uniforme.
A fusão termonuclear do laser no NIF requer que os feixes de laser que incendiam a superfície da bola de hidrogênio sejam exatamente os mesmos, e isso é extremamente difícil de conseguir. Em instalações com confinamento magnético, o fato do campo magnético possuir pólos norte e pólo sul desempenha um papel importante; como resultado, é extremamente difícil comprimir o gás uniformemente na esfera correta.
O melhor que podemos criar é um campo magnético em forma de rosca. Mas o processo de compressão de um gás é como apertar um balão nas mãos. Cada vez que você aperta a bola de uma ponta, o ar a empurra para outro lugar. Comprimir a bola simultaneamente e uniformemente em todas as direções não é uma tarefa fácil. O gás quente geralmente vaza da garrafa magnética; mais cedo ou mais tarde, chega às paredes do reator e o processo de fusão termonuclear é interrompido. É por isso que é tão difícil espremer o hidrogênio o suficiente e mantê-lo comprimido mesmo por um segundo.
Ao contrário das modernas usinas nucleares, onde os átomos são fissionados, um reator de fusão não produzirá uma grande quantidade de lixo nuclear. (Cada uma das unidades de energia nuclear tradicional produz 30 toneladas de lixo nuclear extremamente perigoso por ano. Em contraste, o lixo nuclear de um reator de fusão será principalmente aço radioativo, que permanecerá após sua desmontagem.)
Não se deve esperar que a fusão termonuclear resolverá completamente os problemas de energia da Terra em um futuro próximo. O francês Pierre-Gilles de Gennes, Prêmio Nobel de Física, diz: “Dizemos que colocaremos o sol em uma caixa. Boa ideia. O problema é que não sabemos fazer esta caixa. Mas os pesquisadores esperam que, se tudo correr bem, em quarenta anos o ITER ajude os cientistas a abrir caminho para a produção comercial de energia termonuclear - energia que um dia poderá ser a fonte de eletricidade para nossas casas. Algum dia, talvez, os reatores de fusão nos permitirão usar a energia estelar com segurança e, assim, mitigar nossos problemas de energia. Mas mesmo os reatores termonucleares confinados magneticamente não serão capazes de alimentar armas como a Estrela da Morte. Isso exigirá desenvolvimentos completamente novos.
Lasers de raios-X com bomba nuclear
Existe outra possibilidade de construir um canhão de laser da Estrela da Morte baseado na tecnologia atual - usando uma bomba de hidrogênio. Uma bateria de lasers de raios-X, controlando e concentrando o poder das armas nucleares, poderia, em teoria, fornecer energia suficiente para operar um dispositivo capaz de explodir um planeta inteiro.
As reações nucleares liberam cerca de 100 milhões de vezes mais energia por unidade de massa do que as químicas. Um pedaço de urânio enriquecido do tamanho de uma bola de tênis seria o suficiente para queimar uma cidade inteira em um vendaval de fogo, apesar do fato de que apenas 1% da massa de urânio é convertido em energia. Como dissemos, há muitas maneiras de bombear energia para o fluido de trabalho de um laser e, portanto, para o feixe de laser. O mais poderoso desses métodos - muito mais poderoso do que qualquer um dos outros - é aproveitar a energia de uma bomba nuclear.
Os lasers de raios X são de enorme importância, tanto militar quanto científica. O comprimento de onda muito curto da radiação de raios X torna possível usar esses lasers para sondar a distâncias atômicas e decifrar a estrutura atômica de moléculas complexas, o que é extremamente difícil de fazer com os métodos convencionais. A capacidade de "ver" átomos em movimento e distinguir sua localização dentro de uma molécula nos faz olhar para as reações químicas de uma maneira completamente nova.
Uma bomba de hidrogênio emite uma tremenda quantidade de energia na forma de raios X, de modo que os lasers de raios X podem ser bombeados com a energia de uma explosão nuclear. Na ciência, os lasers de raios X estão mais intimamente associados a Edward Teller, o "pai" da bomba de hidrogênio.
Aliás, foi Teller nos anos 1950. testemunhou perante o Congresso que Robert Oppenheimer, que anteriormente chefiou o Projeto Manhattan, não poderia ser encarregado de mais trabalhos sobre a bomba de hidrogênio devido a suas opiniões políticas. O testemunho de Teller resultou na difamação de Oppenheimer e na negação do acesso a materiais classificados; muitos físicos proeminentes nunca foram capazes de perdoar Teller por isso.
(Meus próprios contatos com Teller começaram no colégio. Em seguida, conduzi uma série de experimentos sobre a natureza da antimatéria, ganhei o grande prêmio na Feira de Ciências de São Francisco e uma viagem para a Feira Nacional de Ciências em Albuquerque, Novo México. Junto com Teller, que sempre prestou atenção a jovens físicos talentosos, participei de um programa de televisão local. Mais tarde, recebi uma bolsa de engenharia da Hertz de Teller, que me ajudou a pagar meus estudos em Harvard. Várias vezes por ano eu ia à casa de Teller em Berkeley, e lá conheceu sua família de perto.)
Em princípio, o laser de raios X Teller é uma pequena bomba nuclear cercada por barras de cobre. A explosão de uma arma nuclear gera uma onda de explosão esférica de intensa radiação de raios-X. Esses feixes de alta energia passam por barras de cobre, que agem como o fluido de trabalho do laser e concentram a energia do raio-X em feixes poderosos. Os raios X resultantes podem então ser direcionados às ogivas inimigas. Claro, tal dispositivo só pode ser usado uma vez, já que uma explosão nuclear autodestruiria o laser de raios-X.
O primeiro teste de raio-X a laser, chamado de teste Cabra (Cabra), foi realizado em 1983. Uma bomba de hidrogênio foi detonada em uma mina subterrânea e, em seguida, um fluxo aleatório de raios-X foi focalizado e convertido em um feixe de raio-X coerente. Os testes foram inicialmente considerados bem-sucedidos; na verdade, foi esse sucesso em 1983 que inspirou o presidente Reagan a fazer uma declaração histórica de intenção de construir um escudo defensivo contra Guerra nas estrelas. Isso lançou um programa de bilhões de dólares para construir uma rede de dispositivos como lasers de raio-X com bomba nuclear para derrubar ICBMs inimigos. O trabalho neste programa continua até hoje. (Mais tarde, descobriu-se que um sensor projetado para registrar e medir a radiação durante um teste histórico,foi destruído; portanto, seu testemunho não era confiável.)
É realmente possível derrubar ogivas de mísseis balísticos com um dispositivo tão não trivial? Não está excluído. Mas não deve ser esquecido que o inimigo pode inventar muitas maneiras simples e baratas de neutralizar essas armas (por exemplo, pode-se enganar o radar disparando milhões de iscas baratas; ou fazer a ogiva girar para espalhar os raios-X desta forma; ou criar um revestimento químico que protegeria a ogiva do raio-X). No final, o inimigo poderia simplesmente produzir ogivas em massa que perfurariam o escudo de Guerra nas Estrelas simplesmente por seu número.
Portanto, os lasers de raios X com bomba nuclear são atualmente incapazes de proteger contra ataques de mísseis. Mas é possível criar em sua base uma Estrela da Morte capaz de destruir um planeta inteiro ou se tornar um meio eficaz de defesa contra um asteróide que se aproxima?
Física da Estrela da Morte
É possível criar uma arma capaz de destruir um planeta inteiro, como em Star Wars? Em teoria, a resposta é simples: sim. E de várias maneiras.
Não há limitações físicas para a energia liberada pela detonação de uma bomba de hidrogênio. É assim que vai. (Uma descrição detalhada da bomba de hidrogênio ainda hoje é classificada pelo governo dos Estados Unidos como a mais alta categoria de sigilo, mas em termos gerais seu dispositivo é bem conhecido.) Uma bomba de hidrogênio é feita em vários estágios. Ao combinar o número certo de estágios na sequência certa, você pode obter uma bomba nuclear de quase qualquer potência predeterminada.
O primeiro estágio é uma bomba de fissão padrão ou bomba atômica; ele usa a energia do urânio-235 para gerar uma explosão de raios-X, como aconteceu em Hiroshima. Uma fração de segundo antes da explosão de uma bomba atômica explodir tudo em pedaços, uma esfera em expansão de poderoso pulso de raios-X aparece. Essa radiação supera a explosão real (uma vez que se move com a velocidade da luz); eles conseguem focá-lo novamente e enviá-lo a um recipiente com deutereto de lítio, a substância ativa de uma bomba de hidrogênio. (Exatamente como isso é feito ainda é um segredo de estado.) Os raios X caem sobre o deutereto de lítio, fazendo-o colapsar instantaneamente e aquecendo-o a milhões de graus, causando uma segunda explosão, muito mais poderosa do que a primeira. A explosão de raios-X resultante desta segunda explosãovocê pode então voltar a se concentrar em um segundo lote de deutereto de lítio e causar uma terceira explosão. Aqui está o princípio pelo qual você pode colocar muitos recipientes de deutereto de lítio lado a lado e obter uma bomba de hidrogênio de poder inimaginável. Assim, a bomba mais poderosa da história da humanidade foi a bomba de hidrogênio de dois estágios, que foi detonada em 1961 pela União Soviética. Em seguida, houve uma explosão com capacidade de 50 milhões de toneladas de TNT, embora teoricamente essa bomba fosse capaz de dar uma potência de mais de 100 megatons de TNT (o que é cerca de 5.000 vezes mais do que a potência da bomba lançada em Hiroshima).a bomba mais poderosa da história humana foi a bomba de hidrogênio de dois estágios, que foi detonada em 1961 pela União Soviética. Em seguida, houve uma explosão com uma capacidade de 50 milhões de toneladas de equivalente TNT, embora teoricamente essa bomba fosse capaz de dar uma potência de mais de 100 megatons de TNT (que é cerca de 5.000 vezes mais do que a potência da bomba lançada em Hiroshima).a bomba mais poderosa da história humana foi a bomba de hidrogênio de dois estágios, que foi detonada em 1961 pela União Soviética. Em seguida, houve uma explosão com capacidade de 50 milhões de toneladas de TNT, embora teoricamente essa bomba fosse capaz de dar uma potência de mais de 100 megatons de TNT (que é cerca de 5.000 vezes mais do que a potência da bomba lançada em Hiroshima).
No entanto, poderes completamente diferentes são necessários para inflamar um planeta inteiro. Para fazer isso, a Estrela da Morte teria que lançar milhares de tais lasers de raios-X para o espaço, que então teriam que ser disparados simultaneamente. (Para efeito de comparação, no auge da Guerra Fria, os Estados Unidos e a União Soviética armazenaram, cada um, cerca de 30.000 bombas nucleares.) A energia combinada de um número tão grande de lasers de raios X teria sido suficiente para inflamar a superfície do planeta. Portanto, o Império Galáctico do futuro, a centenas de milhares de anos distante de nós, poderia, é claro, criar tal arma.
Para uma civilização altamente desenvolvida, existe outra maneira: criar uma Estrela da Morte que usaria a energia de uma fonte cósmica de explosões de raios gama. De tal Estrela da Morte, uma explosão de radiação emanaria, perdendo apenas para o Big Bang em poder. As fontes de explosões de raios gama são um fenômeno natural, elas existem no espaço; no entanto, é concebível que algum dia uma civilização avançada possa aproveitar sua enorme energia. É possível que, se assumirmos o controle da rotação de uma estrela muito antes de seu colapso e do nascimento de uma hipernova, então seja possível direcionar o "tiro" da fonte de rajadas de raios gama para qualquer ponto do espaço.
Fontes de explosões de raios gama
Fontes cósmicas de GRBs foram notadas pela primeira vez na década de 1970. nos satélites Vela lançados por satélites militares dos EUA, projetados para detectar "flashes extras" - evidência de uma explosão ilegal de bomba nuclear. Mas, em vez de erupções na superfície da Terra, os satélites registraram explosões gigantescas de radiação do espaço. A descoberta surpresa inicial gerou pânico no Pentágono: os soviéticos estão testando novas armas nucleares no espaço profundo? Mais tarde, descobriu-se que as explosões vêm uniformemente de todas as direções da esfera celeste; isso significava que eles estavam realmente vindo de fora para a Via Láctea. Mas, se assumirmos uma origem verdadeiramente extragaláctica das explosões, então seu poder se revelará verdadeiramente astronômico - afinal, eles são capazes de "iluminar" todo o universo visível.
Após o colapso da União Soviética em 1990, o Pentágono liberou inesperadamente uma enorme quantidade de dados astronômicos. Os astrônomos ficaram surpresos. De repente, eles perceberam que estavam enfrentando um novo fenômeno misterioso daqueles que são forçados de vez em quando a reescrever livros didáticos e livros de referência.
A duração das explosões de raios gama é curta, variando de alguns segundos a vários minutos, portanto, um sistema de sensores cuidadosamente organizado é necessário para detectá-los e analisá-los. Primeiro, os satélites registram uma explosão de radiação gama e enviam as coordenadas exatas da fonte para a Terra. As coordenadas obtidas são transmitidas a óticos ou radiotelescópios, que, por sua vez, são direcionados a um determinado ponto da esfera celeste.
Embora nem tudo se saiba sobre explosões de raios gama no momento, uma das teorias de sua origem diz que as fontes de explosões de raios gama são "hipernovas" de força extraordinária, deixando para trás enormes buracos negros. Neste caso, verifica-se que as fontes de explosões de raios gama são buracos negros monstruosos em estágio de formação.
Mas os buracos negros emitem dois jatos, dois fluxos de radiação, do pólo sul e do norte, como um pião. A radiação da explosão de raios gama que registramos pertence, aparentemente, a uma dessas correntes - aquela que acabou sendo direcionada para a Terra. Se o fluxo de radiação gama de tal fonte fosse direcionado exatamente para a Terra, e a própria fonte estivesse em nossa vizinhança galáctica (a uma distância de várias centenas de anos-luz da Terra), seu poder seria suficiente para destruir completamente a vida em nosso planeta.
Primeiro, um pulso eletromagnético gerado por raios-X de uma fonte de explosão de raios gama teria desativado todos os equipamentos eletrônicos na Terra. Um poderoso feixe de raios X e radiação gama causaria danos irreparáveis à atmosfera terrestre, destruindo a camada protetora de ozônio. Então, um fluxo de raios gama aqueceria a superfície da Terra, causando tempestades de fogo monstruosas que acabariam por engolfar todo o planeta. Talvez a fonte das explosões de raios gama não tivesse explodido o planeta, como mostrado no filme "Guerra nas Estrelas", mas certamente teria destruído toda a vida nele, deixando para trás um deserto carbonizado.
Pode-se presumir que uma civilização que nos ultrapassou em desenvolvimento por centenas de milhões de anos aprenderá a direcionar esses buracos negros para o alvo desejado. Isso pode ser conseguido aprendendo a controlar o movimento dos planetas e estrelas de nêutrons e direcioná-los para uma estrela moribunda em um ângulo calculado com precisão pouco antes do colapso. Um esforço relativamente pequeno será suficiente para desviar o eixo de rotação da estrela e direcioná-lo na direção desejada. Então, a estrela moribunda se transformará no maior canhão de raios imaginável.
Resumir. O uso de lasers poderosos para criar armas portáteis ou de mão e sabres de luz deve ser classificado como impossibilidade classe I - muito provavelmente, isso será possível em um futuro próximo, ou, digamos, nos próximos cem anos. Mas a tarefa extremamente difícil de mirar uma estrela em rotação antes de explodir e transformá-la em um buraco negro, ou seja, transformá-la em uma Estrela da Morte, deve ser considerada uma impossibilidade de Classe II - algo que não contradiz claramente as leis da física (afinal, as fontes de explosões de raios gama existem na realidade), mas só pode ser realizado em um futuro distante, depois de milhares ou mesmo milhões de anos.
Do livro: "Física do Impossível".
