如何用核裝置毀滅對地球有潛在威脅的小行星?
2021年04月21日13:49

  4月21日消息,目前,美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室(LLNL)和空軍技術學院(AFIT)合作開展了一項研究,致力於研究核裝置爆炸產生的中子能量如何對小行星進行軌道偏轉。

  科學家對比分析了兩種不同的中子能量來源(裂變中子和聚變中子)造成的小行星偏轉,將這兩種中子能量來源並行比較,研究目的是瞭解核爆炸釋放哪些中子能量更有利於小行星偏轉,並揭曉其中的原因,為優化小行星偏轉效果奠定基礎。

  這項最新研究報告發表在近期出版的《美國宇航學報》期刊上,由蘭辛·霍蘭負責,這是他在AFIT學院就讀核工程研究生期間與LLNL實驗室合作的行星防禦和武器輸出項目的一部分,霍蘭說:“研究小組聚焦於核爆炸產生的中子輻射,因為中子比X射線更具有穿透力,這意味著中子產生的熱量可能會加熱小行星表面更多的物質,因此,與X射線產生的熱量相比,中子產生的熱量更能有效地使小行星偏離運行軌道。”

  不同能量的中子可以通過不同的交互機製與相同物質發生相互作用,通過改變沉積能量的分佈和強度,由此導致小行星軌道也產生偏轉影響。

  研究表明,能量沉積剖面分析映射出小行星曲面之下空間位置能量沉積的多樣化分佈,這在兩種中子能量之間可能有很大的差異,當沉積的能量在小行星上分佈不同時,意味著熔化/蒸發的吹離碎片的數量和速度會發生變化,這將決定小行星最終的速度變化。

  毀滅潛在威脅的小行星

  在地球軌道上潛在著許多危險小行星,它們會闖入地球軌道,甚至進入地球大氣層,發生災難性的碰撞事件,霍蘭指出,毀滅這些潛在威脅的小行星有兩個基本方案:炸碎或者偏轉,炸碎是一種將高能量傳遞給小行星的方法,它將被粉碎成許多極速運動的碎片,之前研究顯示當小行星被炸碎後超過99.5%的碎片會與地球擦肩而過,該方案潛在一定風險,大量小行星碎片可能進入地球大氣層,因此如果當小行星撞擊地球的準備時間較短或者該小行星相對較小,我們可以考慮炸碎它。

  他說:“偏轉小行星軌道是一種較溫和的方法,它包括給予小行星較少的能量,保持小行星的完整性,並以稍微改變的速度將其推到偏轉軌道上。隨著時間的推移,在小行星撞擊地球之前的許多年里,即使是微小的速度變化也會增加它偏離地球的程度,如果我們有充足的時間預判某顆小行星若干年會碰撞地球,可以採取偏轉小行星軌道的方法,它通常被認為是更安全、更‘優雅’的選擇。這就是為什麼我們當前聚焦研究如何使小行星偏轉軌道的原因。”

  將能量沉積與小行星反應聯繫起來

  這項工作分兩個主要階段進行,包括:中子能量沉積和小行星偏轉響應,對於能量沉積階段,美國洛斯·阿拉莫斯國家實驗室的蒙特卡羅N粒子(MCNP)輻射傳輸代碼模擬了所有不同案例研究,MCNP模擬了一次中子對峙爆炸,輻射朝向一顆300米直徑的氧化矽成分為主的球形小行星,小行星被數百個同心球體和封閉圓錐體分割成數十萬個小單位,然後研究人員對每個小單位的能量沉積進行統計跟蹤,從而生成整個小行星的能量沉積剖面或者能量空間分佈。

  對於小行星偏轉階段,用LLNL實驗室的2D和3D任意拉格朗日-歐拉(ALE3D)流體動力學代碼模擬小行星成分對能量沉積產生的響應,MCNP生成的能量沉積剖面被導入並映射到ALE3D小行星上,以便於初始化模擬。獲得中子產額和中子能量的不同配置下的偏轉速度變化,可以顯化中子能量對小行星偏轉產生的影響。

  偏轉小行星的小一步將決定地球命運

  霍蘭說:“這項最新研究是採用核裝置偏轉小行星模擬實驗的一小步,我們的最終目標是確定最佳的中子能譜,即中子能量輸出的擴散狀況,以最理想的方式儲存它們的能量,從而最大化地影響小行星運行速度或者發生偏轉。該研究報告揭示了特定中子能量輸出可以影響小行星的偏轉性能,以及為什麼會發生這種情況,作為邁向更大目標的 墊腳石。”

  他還指出,能量沉積數據的精度和準確性非常重要,如果能量沉積輸入不正確,我們就不應該對小行星偏轉輸出抱有太大信心,我們現在知道能量沉積剖面對於偏轉大型小行星而言意義重大,如果未來人類執行某項太空任務,用於減緩一顆大型小行星碰撞地球的威脅,應該考慮能量沉積的空間剖面分析,從而正確模擬預期的小行星速度變化。

  另一方面,能量耦合效率一直是科學家需要考慮的重要因素,即使是針對較小的小行星,霍蘭說:“我們發現能量沉積量是最能預測小行星整體偏轉的因素,對最終速度變化的影響比空間分佈的影響更大。為了規劃小行星偏轉任務,有必要考慮這些能量參數,以便進行正確的模擬和預測。”

  最重要的是,我們要進一步研究和瞭解所有小行星偏移技術,以便最大限度地利用當前科技力量,在某些情況下,使用核裝置使小行星偏轉比非核裝置更具優勢,事實上,如果小行星碰撞預警時間很短,或者發生碰撞事件的小行星體積很大,核爆炸可能是我們唯一可行的偏轉和毀滅小行星選擇。(葉傾城)

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