Проблемы с вооружением из антиматерии

В моей вымышленной вселенной снаряды из антивещества регулярно используются в космических войнах. Я не спрашиваю, практично это или нет, но у меня есть три конкретных вопроса:

  1. Импульсный заряд: Идея состоит в том, что боеголовка, содержащая антиматерию (например, фотонная торпеда), приблизится к цели на высокой скорости и взорвется. Сохранение импульса диктует, что фотоны, возникающие в результате аннигиляции и движущиеся вперед, должны иметь более высокую частоту, чем те, которые движутся назад, поэтому большая часть энергии попадает в цель, а не рассеивается в пространстве. При детонации при температуре 0,1с сколько процентов энергии пойдет в переднюю полусферу в случае чистой электрон-позитронной аннигиляции и сколько в случае антиводородной аннигиляции?

  2. Снаряд из голой антиматерии. Второй вопрос касается снаряда макроскопических размеров, построенного из твердой антиматерии, как это предлагается в комментариях. Как долго может 10-килограммовая масса антиводяного льда/антижелеза/антиобедненного урана путешествовать в межпланетной среде по орбите Земли (которая не является полным вакуумом), прежде чем потерять половину своей массы, при условии скорости 10000 м/с? А если я выстрелю в межзвездную среду? Или в верхних слоях атмосферы Земли на высоте 300 км?

  3. Мне кажется, что сделать физически правдоподобные силовые щиты достаточно сложно. Но я могу представить себе использование магнитного поля для конкретной оборонительной цели: можно ли использовать сильное магнитное поле, чтобы разрушить защитную оболочку из антивещества на вражеских ракетах и, таким образом, заставить их взорваться далеко? Или они могут быть легко покрыты?

  4. Если снаряды из голой антиматерии, описанные в вопросе 2, будут использоваться регулярно, станут ли «газовые щиты» жизнеспособной контрмерой? Идея состоит в том, что если компьютер обнаруживает приближающийся снаряд из антиматерии, он выпускает газ из специальных вентиляционных отверстий (или маневровых двигателей в экстренных случаях), чтобы уничтожить и испарить его до того, как он попадет в цель.

Тупой вопрос: зачем взрывать в пути? Почему бы просто не позволить ему стать вашей целью, сделанной из нормальной материи, и позволить ему аннигилировать часть их материи, а также гарантировать, что сфера полученной энергии будет почти полностью поглощена их кораблем?
@DanBron: Детонация - хорошая идея. Кумулятивный заряд за магнитной бутылкой, содержащей антивещество, срабатывает при сжатии носовой части боеголовки, в результате чего бутылка соприкасается со сломанным наконечником, который нарушает условия содержания, вызывая реакцию аннигиляции.
@nzaman Это объясняет, как работает кумулятивный заряд, но не почему это лучше, чем просто использовать антивещество «баллистически», о чем я спрашивал. Почему контактный подрыв лучше контактного подрыва ради вывода из строя вражеских кораблей?
@DanBron: Потому что это заставляет антиматерию быть как можно ближе к вражескому кораблю, прежде чем он взорвется. В результате большая часть энергии направляется в структуру цели, а не отражается от поверхности. Подумайте о взрыве заряда взрывчатого вещества в отверстии в скале и о том же заряде, свободно привязанном к поверхности: что нанесет наибольший ущерб?
@DanBron В случае бомбардировки городов бомбы взрываются над землей, поэтому ущерб может распространяться дальше (а не создавать большой ущерб в одном месте). Так что я полагаю, что таким же образом взрыв на поверхности корабля нанесет большой ущерб этой точке корпуса, но если эту область можно запечатать, это не такая уж проблема, причинение широкомасштабного ущерба приведет к пробоине. больше областей.
@nzaman Баллистический подход буквально взрывается только при контакте . На самом деле, он фактически использует материю вражеского корабля для получения половины полученного энергетического урона. Вы не можете подойти ближе, чем это. Все , что кроме этого, на самом деле находится еще дальше. Аналогия с TNT на скале неуместна.
@DanBron: я думаю, что мы говорим здесь о разных целях. Я говорю о взрывах при контакте... помог, раздавив антивещество вперед, просто для большей уверенности.
Объявление1. Я боюсь, что при 0,1с это мало что даст, скоростная композиция обычно имеет член (1-(v/c)^2), при 0,1с она не будет существенно отличаться от 1. Я попытаюсь рассчитать на самом деле и показать, что, если я получу некоторое время спустя.
Не рекомендуется задавать несколько вопросов в одном, так как это затрудняет краткий и целенаправленный ответ. Кроме того, становится намного сложнее оценивать ответы относительно того, лучше ли один, чем другой, поскольку «лучший» ответ на каждую часть вашего вопроса может содержаться в разных ответах. См. советы по устранению проблемы .

Ответы (5)

Среди этих ответов удручающе мало математики, особенно в вопросе номер 2.

Солнечный ветер около 400 к м / с , поэтому скорость 10 к м / с в этом расчете ничтожна. Солнечный ветер/межпланетная среда имеет плотность около 5 ионов на с м 3 . Предположим, что наш снаряд имеет примерно сферическую форму с поперечным сечением 10 с м 2 , что делает его примерно такого же диаметра, как артиллерийский снаряд. Мы используем число Авагадро и атомную массу водорода () для преобразования ионов в граммы. Теперь у нас есть все, что нужно:

400 к м с ⋅ 100000 с м к м ⋅ 5 я о н с с м 3 ⋅ 10 с м 2 6 × 10 23 А U г ⋅ 1 я о н А U ≈ 3 × 10 − 16 г с

Если бы нас беспокоила только масса, это было бы почти ничего. Но эта масса тоже превращается в энергию; преобразование в к г и умножение на с 2 , это 0,3 Вт , удивительно повседневное количество. Предположим, что снаряд состоит из воды (весит около килограмма) и половина энергии превращается в тепло, которое нагрело бы шар на... 0,00004 ∘ С с . Так что, tl;dr, ваш снаряд относительно безопасен в межпланетной среде! Артиллеристам, вероятно, придется учитывать создаваемую кинетическую энергию, которая, по сути, превратит снаряд в слабый ракетный двигатель, направленный в сторону от Солнца, но, по-видимому, будущие компьютеры могут довольно легко это компенсировать. Также все еще достаточно сомнительно, что его эффективность на больших расстояниях может снизиться в плохую космическую погоду, которая может увеличить плотность солнечного ветра до двадцати раз.

Очевидно, это означает, что снаряды будут в порядке и в межзвездном пространстве. Однако этого нельзя сказать о верхней земной атмосфере, которая даже на высоте 300 км примерно в 2 миллиарда раз плотнее межпланетной среды. Атмосфера движется не так быстро, как солнечный ветер, так что температура по-прежнему будет повышаться только примерно на, э-э, 2000 г. ∘ С с . Эффект ракеты также был бы намного мощнее и был бы направлен назад, а не к солнцу. Таким образом, такой снаряд, запущенный так близко к земле, мгновенно испарится, вероятно, отправив дробовик из антивещества обратно в корабль, который его выпустил.

Только ответы на пункты 2 и 3:

Снаряд из голой антиматерии.

Ваша антивещество столкнется с молекулой водорода, частично аннигилирует, а частично испарится; столкнуться с другой молекулой водорода, частично аннигилировать, а частично испариться... до тех пор, пока она не будет полностью уничтожена или пока не достигнет своей цели. Общее количество антиматерии, поразившей вражеский корабль, будет лишь небольшой долей того, что вы на самом деле выпустили, подобно метеору, прошедшему через атмосферу. Как и в случае с метеором, количество оставшейся антиматерии и ущерб, который она может нанести, зависят от исходной массы и состава антиматерии. Учитывая затраты на производство антивещества и разницу в "отдаче за доллар", имеет смысл положить его в корпус для доставки.

Защита от магнитного поля.

Этому очень легко противодействовать, если сделать кожух снаряда из магнитопроницаемого материала. Никакая часть внешнего поля не пройдет. Конечно, тогда вам нужно будет убедиться, что защитное поле внутри не попытается пройти через корпус, а не вокруг антиматерии. Просто сделайте корпус больше, а магнитную бутылку меньше.

1) Я делаю здесь несколько выводов, но детонация будет в значительной степени сферической, независимо от того, насколько быстрой она будет, поскольку результирующая энергетическая реакция будет распространяться со скоростью, близкой к скорости света, и что бы вы ни содержали ее, это не выдержало бы. значительное сопротивление взрыву.

2) 10 кг антивещества? Ух ты. Грамм взрывается в диапазоне десятков килотонн. 10 кг взрываются в диапазоне сотен мегатонн.

3) Устройство может быть экранировано. Лучший способ вывести устройство из строя — это проникнуть в его оболочку каким-нибудь обычным веществом, чтобы вызвать детонацию — недостатком будет рассеяние непрореагировавшего антивещества по всей округе.

4) Вероятно, нет — газ будет очень быстро рассеиваться в пространстве, и маловероятно, что вы поместите между собой и целью достаточно массы, чтобы испарить его.

О вопросе 1: эффект кумулятивного заряда, о котором я спрашиваю, основан не на сдерживании, а на скорости самой аннигилированной анти- и нормальной материи. Если, например, один атом позитрония аннигилирует при движении со скоростью 0,1с, его импульс равен массе двух электронов * 30 000 000 м/с. Этот импульс должен быть сохранен во время аннигиляции. каждый фотон несет импульс E/c, поэтому один излучаемый параллельно исходной скорости должен иметь больше энергии, чем другой.
По вопросу 4: Нельзя ли потушить газ непосредственно перед ударом? Или использовать магнитно-направленную плазму в качестве «огненного ливня» на слизне из антиматерии?
@b.Lorenz Я предполагаю, поскольку я не могу найти никаких достоверных данных об этом, что высвобождение энергии будет настолько быстрее, чем 0,1c, что начальные относительные скорости не будут иметь большого значения. Кроме того, эффект от взрыва 10-килограммовой бомбы из антивещества будет настолько огромным, что «формирование» не станет серьезной проблемой, поскольку оно испарит все в пределах 10-20 км.
@b.Lorenz На другой вопрос: нет безопасного способа реагировать на большое количество антиматерии за короткий промежуток времени. Каждый грамм антивещества, который вы уберете, выделит столько же энергии, сколько несколько бомб, сброшенных на Хиросиму.
Я не говорил, что в первом сценарии используется 10 кг антивещества. (Это идея с голой пулей во втором вопросе, которая играет с такими большими количествами) Вероятно, боеголовка будет содержать всего несколько граммов. И по 4. вопросу. Хотя аннигиляция слизней антиматерии происходит довольно энергично, поскольку нет ударной волны, ядерное оружие не очень эффективно в космосе. Полированные поверхности могут отражать довольно много излучаемой энергии, прежде чем испарятся. Таким образом, будет иметь значение, произойдет ли аннигиляция на расстоянии 1 или 100 метров, так как это уменьшит поверхностную плотность энергии в 10000 раз.
Допустим, вы взрываете 1 грамм антивещества с 1 граммом вещества на расстоянии 1 км от цели, в результате чего в точке взрыва выделяется 1,8 × 10 ^ 14 (из Википедии) энергии, что приводит к ~ 1,4 x 10 ^ 7 джоулей на м ^ 2 в цель, что, по словам Википедии, связано с энергией большой противотанковой пушки (вероятно, не так уж больно для вашего корабля, но вы, вероятно, захотите этого избежать). На 100 м это число увеличивается до 1,4x10^9 на квадратный метр, что позволяет расплавить 5 дюймов стального листа.

Позвольте мне сосредоточиться на вопросе № 2.

Межпланетное пространство у Земли не только не вакуумно - на него постоянно воздействует солнечный ветер. Я предсказываю, что макромасса антивещества в околоземном пространстве перегреется и распадется в течение нескольких минут. При скорости 10 км/с он может проехать несколько тысяч километров. И если крупная частица пыли попадется ему на пути, игра будет окончена.

300 км над Землей относительно плотны, поэтому я бы дал этой массе не более нескольких секунд. Он не может даже удариться о Землю как твердое тело, хотя 10 кг, взорванные на такой высоте, могут нанести серьезный ущерб земле.

Другое дело межзвездная среда. Его плотность очень низкая, и, что более важно, звездный ветер там очень разрежен. Я предсказываю, что антивещество может путешествовать туда без перегрева в течение многих дней, а возможно, и лет.

Итак, существует два «типа» антиматерии: плазма или заряженные субатомные частицы (включая позитроны) и антиэлементы (и антиатомные? соединения). Заряженное вещество должно было бы удерживаться либо магнитными (или электрическими) полями, либо светом. Вы можете изучить физику коллайдеров, используемых по всему миру, сделать несколько предположений о будущем технологическом совершенствовании магнитных полей и выяснить, сколько из них можно будет удержать таким образом. Это не много. Я забыл, сколько массы имеет БАК на орбите, порядка грамма или около того (iirc). Таким образом, вы вряд ли сильно запутаетесь в ракете. С другой стороны, возьмите немного анти-железо. Достаточно легко вычислить E=mc² энергии, высвобождаемой при аннигиляции одного атома железа с 30 (скажем) атомами водорода (самый большой компонент солнечного ветра). Это' вы не сможете достаточно быстро развернуть значительное количество газа и увести его достаточно далеко от вас, чтобы что-то изменить. Магнитное поле колоссальной (и в настоящее время технически невозможной) силы теоретически может быть использовано для отклонения субатомных/микроскопических «пуль».

Умный. Но газовый щит предназначен не против типа 0.1с (1. вопрос), а против более медленных (2. вопрос)
Проблемы с вооружением из антиматерии
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v