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如何用核装置毁灭对地球有潜在威胁的小行星?

卫星产业X射线 核装置 中子 核爆炸
发布:2021-04-21 15:55:53     来源:新浪科技

目前,美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)和空军技术学院(AFIT)合作开展了一项研究,致力于研究核装置爆炸产生的中子能量如何对小行星进行轨道偏转。


科学家对比分析了两种不同的中子能量来源(裂变中子和聚变中子)造成的小行星偏转,将这两种中子能量来源并行比较,研究目的是了解核爆炸释放哪些中子能量更有利于小行星偏转,并揭晓其中的原因,为优化小行星偏转效果奠定基础。

这项最新研究报告发表在近期出版的《美国宇航学报》期刊上,由兰辛·霍兰负责,这是他在AFIT学院就读核工程研究生期间与LLNL实验室合作的行星防御和武器输出项目的一部分,霍兰说:“研究小组聚焦于核爆炸产生的中子辐射,因为中子比X射线更具有穿透力,这意味着中子产生的热量可能会加热小行星表面更多的物质,因此,与X射线产生的热量相比,中子产生的热量更能有效地使小行星偏离运行轨道。”

不同能量的中子可以通过不同的交互机制与相同物质发生相互作用,通过改变沉积能量的分布和强度,由此导致小行星轨道也产生偏转影响。

研究表明,能量沉积剖面分析映射出小行星曲面之下空间位置能量沉积的多样化分布,这在两种中子能量之间可能有很大的差异,当沉积的能量在小行星上分布不同时,意味着熔化/蒸发的吹离碎片的数量和速度会发生变化,这将决定小行星最终的速度变化。


 
毁灭潜在威胁的小行星

在地球轨道上潜在着许多危险小行星,它们会闯入地球轨道,甚至进入地球大气层,发生灾难性的碰撞事件,霍兰指出,毁灭这些潜在威胁的小行星有两个基本方案:炸碎或者偏转,炸碎是一种将高能量传递给小行星的方法,它将被粉碎成许多极速运动的碎片,之前研究显示当小行星被炸碎后超过99.5%的碎片会与地球擦肩而过,该方案潜在一定风险,大量小行星碎片可能进入地球大气层,因此如果当小行星撞击地球的准备时间较短或者该小行星相对较小,我们可以考虑炸碎它。

他说:“偏转小行星轨道是一种较温和的方法,它包括给予小行星较少的能量,保持小行星的完整性,并以稍微改变的速度将其推到偏转轨道上。随着时间的推移,在小行星撞击地球之前的许多年里,即使是微小的速度变化也会增加它偏离地球的程度,如果我们有充足的时间预判某颗小行星若干年会碰撞地球,可以采取偏转小行星轨道的方法,它通常被认为是更安全、更‘优雅’的选择。这就是为什么我们当前聚焦研究如何使小行星偏转轨道的原因。”

将能量沉积与小行星反应联系起来

这项工作分两个主要阶段进行,包括:中子能量沉积和小行星偏转响应,对于能量沉积阶段,美国洛斯·阿拉莫斯国家实验室的蒙特卡罗N粒子(MCNP)辐射传输代码模拟了所有不同案例研究,MCNP模拟了一次中子对峙爆炸,辐射朝向一颗300米直径的氧化硅成分为主的球形小行星,小行星被数百个同心球体和封闭圆锥体分割成数十万个小单位,然后研究人员对每个小单位的能量沉积进行统计跟踪,从而生成整个小行星的能量沉积剖面或者能量空间分布。

对于小行星偏转阶段,用LLNL实验室的2D和3D任意拉格朗日-欧拉(ALE3D)流体动力学代码模拟小行星成分对能量沉积产生的响应,MCNP生成的能量沉积剖面被导入并映射到ALE3D小行星上,以便于初始化模拟。获得中子产额和中子能量的不同配置下的偏转速度变化,可以显化中子能量对小行星偏转产生的影响。

偏转小行星的小一步将决定地球命运

霍兰说:“这项最新研究是采用核装置偏转小行星模拟实验的一小步,我们的最终目标是确定最佳的中子能谱,即中子能量输出的扩散状况,以最理想的方式储存它们的能量,从而最大化地影响小行星运行速度或者发生偏转。该研究报告揭示了特定中子能量输出可以影响小行星的偏转性能,以及为什么会发生这种情况,作为迈向更大目标的 垫脚石。”

他还指出,能量沉积数据的精度和准确性非常重要,如果能量沉积输入不正确,我们就不应该对小行星偏转输出抱有太大信心,我们现在知道能量沉积剖面对于偏转大型小行星而言意义重大,如果未来人类执行某项太空任务,用于减缓一颗大型小行星碰撞地球的威胁,应该考虑能量沉积的空间剖面分析,从而正确模拟预期的小行星速度变化。

另一方面,能量耦合效率一直是科学家需要考虑的重要因素,即使是针对较小的小行星,霍兰说:“我们发现能量沉积量是最能预测小行星整体偏转的因素,对最终速度变化的影响比空间分布的影响更大。为了规划小行星偏转任务,有必要考虑这些能量参数,以便进行正确的模拟和预测。”

最重要的是,我们要进一步研究和了解所有小行星偏移技术,以便最大限度地利用当前科技力量,在某些情况下,使用核装置使小行星偏转比非核装置更具优势,事实上,如果小行星碰撞预警时间很短,或者发生碰撞事件的小行星体积很大,核爆炸可能是我们唯一可行的偏转和毁灭小行星选择。

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