Verkko-optinen kuitulaser asteroidin torjuntaan?

[tomipa]

Otsikosta huolimatta, ajattelin vakavaa asiaa. Sillöin tällöin taivaalta tippuu kivi päähämme. Kuinka muutamme asteroidin kurssia ennen kohtaamista?

Viittaan keskusteluavaukseeni verkkolinssikaukoputkesta vastaavalla palstalla. Käännetään nyt idea toisin päin eli sen sijaan, että havainnomme valoa, haluamme lähettää avaruuteen lasersäteitä. Otetaan taas 1000 x 1000 linssimatriisi, josta valo lähtee taivalle linssien fokukseen tuodulla 200 W:n kuitulaserilla (esim. 1064 nm). Kuidun avauskulma on parikymmentä astetta, joten linssin polttovälin täytyy olla f = 280 mm, D = 100 mm. Ilman kollimointi / fokusointioptiikkaa idea ei toimi, koska säteen divergenssi linssin jälkeen olisi karkeasti 0,1 mrad (kuidun ydin 30 um). Säde siis leviäisi merkittävästi suurilla etäisyyksillä. En tiedä auttaako negatiivisin linssin asettaminen positiivisen päälle muuttamaan säteen kollimointia. Ehkä säde voitaisiin säteen laajentimen tapaan fokusoida jollekin etäisyydelle, jonka jälkeen säde jatkaa divergoitumista. (En ole laskenut säteen irradianssia etäisyyden funktiona.)

No, jos meillä on miljoona 200 W:n kuitulaseria, taivaalle saadaan 200 MW:a jatkuvaa sädetehoa. Ehkä tällä säteilypaineella voitaisiin muuttaa asteroidin kurssia? Tai ainakin sillä voisi kiihdyttää aurinkopurjeeseen perustuvaa tähtialusta?

Tietysti kuitulaserin hyötysuhde on noin 20%:a, joten tarvitsisimme gigawatin sähkövoimalan. Lisäksi lumi sulaisi alueelta, koska harakoille menisi lämpönä 800 MW:a sähköä. Hintaa härvelille tulee ydinvoimalan verran, mutta jos vaihtoehtona on kaukaisessa tulevaisuudessa maailmanloppu, asiaa kannattaa harkita.

[Lauri Kangas]

Asteroidien torjunta taitaa olla kuuma aihe josta on valloillaan vielä kahelimpia visioita. Itse panisin rahani likoon kotimaisen sähköpurjeen puolesta, kunhan prototyyppiä ensin vähän testaillaan kiertoradalla (Aalto-1:ssä ja Estcubessa).

Ilman kollimointi / fokusointioptiikkaa idea ei toimi, koska säteen divergenssi linssin jälkeen olisi karkeasti 0,1 mrad (kuidun ydin 30 um). Säde siis leviäisi merkittävästi suurilla etäisyyksillä. En tiedä auttaako negatiivisin linssin asettaminen positiivisen päälle muuttamaan säteen kollimointia.

Suoritin pääaineen laserfysiikan kurssit rimaa hipoen mutta eikös tuon niin-ja-niin monen milliradiaanin divergenssikulman idea ole että se on nimenomaan joku kvanttimekaaninen minimi jota pienempään kulmaan ei tietynlaista lasersädettä voi millään linssisysteemillä fokusoida?

Eli vastaava tilanne kuin että valokimppua ei voi fokusoida pisteeksi vaan pienin mahdollinen kuvio kuvatasolla on Airyn diffraktiokuvio. Kun tuo kuvataso sitten fokusoidaan äärettömän kauas, ei myöskään synny täydellisen yhdensuuntaista valokimppua vaan tuollainen minimidivergenssin mukainen säde.

[tomipa]

Juu, fokusoimisessa puhutaan säteen vyötäröstä eli kapeimmasta kohdasta, mutten millään muista kuinka sen etäisyyttä säädellään.

[Lauri Kangas]

No sen etäisyyttähän säädellään linssillä. Kun kuidun pää lykätään polttovälin päähän linssistä, on ulos tulevan säteen waisti äärettömässä joka on erittäin, erittäin lähellä sitä etäisyyttä jolle se halutaan asteroidia karkoittaessa. Silloin ulos tulevalla säteellä on minimidivergenssi, joka jossain 1 AU:n päässä saattaa tehdä säteestä aika paljon asteroidia isomman. Voi olla ettei yksi ydinvoimala riitä.

[tomipa]

Tämä on ehkä asiaton kommentti, mutta koska olen hövelillä päällä, laitetaan sitten kaksi tai useampi ydinvoimala: kysehän on vain skaalauksesta.  Tosin sitten tarvitsemme jo linssitehtaan optiikkaa varten. Kuitulasertehdas Suomesta löytyykin, vaikka heidän tuoterepertuaaristaan on noin tehokkaat (200 W) kuitulaserit poistettukin uuden isännän myötä (?). Tarvitsemme myös pari kolme jäähdystystornia tai virtaavaa vettä laserien jäähdytykseen. No, tämä aihe taitaa olla jo kaluttu ennen kuin tiedämme paljonko säteilypainetta komeetan liikuttelu tarvitsee ja paljonko matkaa on käytettävissä?

Niin, ja nyt tämä härpäke pitäisi sijoitaa korkealle (?) ilmakehän turbulenssin ja absorptio sekä sirontaominaisuuksien takia. Ehkä matalammalla voisi käyttää keltaista keinotähteä turbulenssin kompensointiin, jotta kutakin laserlinssiä voitaisiin ohjata yksilöllisesti. Mikäs ilmakehän atomi muuten absorboi tuon keltaisen keinolasertähden valon? Ei kai yläilmakehässä ole suolaa (Natriumia)?

Tuli vielä sellainenkin mieleen, että tämän tehoisella laserilla voidaan höyrystää avaruusromua ja siten "siivota" kiertorataa. Tosin sillä voidaan myös höyrystää satelliitteja ja vakoilusatelliitteja. Sopikoon suurvallat keskenään avaruussodankäynnin rajoituksista, en ota siihen aiheeseen kantaa.

[awallin]

No, jos meillä on miljoona 200 W:n kuitulaseria, taivaalle saadaan 200 MW:a jatkuvaa sädetehoa. Ehkä tällä säteilypaineella voitaisiin muuttaa asteroidin kurssia? Tai ainakin sillä voisi kiihdyttää aurinkopurjeeseen perustuvaa tähtialusta?

Homma toimii mikro-skaalassa ihan hyvin: optiset pinsetit alkaa olemaan melko standardi työkalu esim kokeellisessa biofysiikassa.
Teoreettinen voima on luokka 3 pN per 1 mW (siis piko Newton per milli Watt), joka on ihan sopiva esim yksittäisen DNA-molekyylin venyttämiseen:
http://www.youtube.com/watch?v=HsuwMnMIEyc

nopeasti laskettuna yksittäinen 200 W laser työntäisi siis 0,6 uN ja miljoona kappaletta laseria saisi aikaan pyöristettynä noin 1 N voiman.
Joku joka tietää taivaankappaleiden radanlaskennasta voi sitten kommentoida onko 1 N voima riittävä.

Puolijohdelaserin hyötysuhde on luokkaa 30% joten töpselistä tarvitaan noin  700MW tehoa... :)

Anders

[kimmopaasiala]

Eikös tähän liittyen ollut uutinen vähän aikaa sitten jossa todettiin että tälläisen "tappaja-astroidin" radan muuttaminen olisi helpointa ja halvinta maalaamalla se valkoiseksi 

[tomipa]

nopeasti laskettuna yksittäinen 200 W laser työntäisi siis 0,6 uN ja miljoona kappaletta laseria saisi aikaan pyöristettynä noin 1 N voiman. Joku joka tietää taivaankappaleiden radanlaskennasta voi sitten kommentoida onko 1 N voima riittävä.

Ottamatta kynää esille, väittäisin itse, että 1 N esimerkiksi 30 vuoden ajan 20 km läpimittaiseen kivenmurikkaan ei ole kovin paljon.

Onkohan esimerkin laskelmassa huomioitu sitä, että kylmästä jäämöhkäleestä voi höyrystyä partikkeleita, jotka voivat absorboida säteilykentän energiaa ja sinkoutua pinnasta poispäin (suurella nopeudella?). Nettovaikutus voi ehkä olla säteilypainetta suurempi (vrt. ioni- tai molekyylisuihkumoottori). Vaan vaatisi laskemista, minkä tehnen vasta työajalla.

[Meade-mad]

Vaan vaatisi laskemista, minkä tehnen vasta työajalla.

Toivottavasti et ole sellaisessa työssä, minkä palkkarahojen keruu koskettaa myös minua. 

jk

[tomipa]

Toivottavasti et ole sellaisessa työssä, minkä palkkarahojen keruu koskettaa myös minua.

Ehkä on hyvä keventää aihetta, kun puhuin aiemmin jo valloista. Tarvitsisin siis Matlabin, jota työpaikan lisenssipolitiikasta johtuen on kätevämpää käyttää töissä. Eri asia on teenkö sen työajalla?! 

[Lauri Kangas]

Vapaudu matlabin kahleista: http://www.numpy.org/

[tomipa]

Päätän tämä keskustelun vielä yhteen päässälaskuun. Jos meillä on 1000 x 1000 yhden metrin optiikkaa, niin lasersäteen koko voidaan likimääräisesti laskea ideaalisen fokuksen tapauksessa 1 AU:n etäisyydellä. Diffraktiorajoitteinen koko on suoraan verrannollinen polttoväliin = 1AU, aallonpituuteen = 1 um ja kääntäen verrannollinen optiikan halkaisijaan = 1 m. Jos laskin oikein, niin säteen halkaisija olisi 366 000 metriä. Jos kussakin teleskoopissa on 400 W:n lähetinlaseri, niin irradianssi teli teho per säteen pinta-ala olisi 4 mW/m2, joka on aika paljon pienempi kuin esimerkiksi auringon teho 1 AU:n etäisyydellä (1,4 kW/m2). Asteroidiin, jonka halkaisija on 20 km, osuva kokonaisteho olisi siis 1,2 MW:a.

Yksi megawatti on miljoona joulea sekunnissa. Kun tämän jakaa asteroidin massalla ja kulkumatkalla yhdessä sekunnissa saadaan asteroidiin vaikuttava maksimikiihtyvyys? Kun tiedätään asteroidin rata ja nopeus, voidaan laskea paljonko ylimääräinen kiihtyvyys poikkeutta rataa. Jätän harjoituksen jollekin muulle.  En osaa ilman ratalaskuja sanoa, onko ylimääräisellä kiihtyvyydellä niin suurta vaikutusta, että se muuttaisi ajan kuluessa asteroidin rataa 6400 km:ä. Ja laskuesimerkki on pätee vain 1 AU:n etäisyydellä. Veikkaisin, että jos aurinko ei muuta asteroidin rataa, niin ei tee myöskään superlaseri.

[Kaizu]

Tottakai Auringon säteilypaine vaikuttaa asteroidin rataan Säteilypainekomponentti on mukana pienenä voimana koko ajan. Asteroidi voisi mennä sisäpuolelta ohi jos sammuttaisi Auringon joksikin aikaa. Maankin rata muuttuisi, mutta vähemmän koska massaa suhteessa säteilyä vastaanottavaan pintaan on enemmän.
Jostakin olen lukenut ajatuksen että asteroideja ohjattaisiin Maan läheisille radoille joilta ne lingottaisiin kohti Aurinkoa niin että samalla siirrettäisiin Maata ulommas Auringosta. Aikaa myöten päästäisiin turvaan punaiseksi jättiläiseksi muuttuvalta Auringolta.
Ohjaaminen tapahtuisi maalaamalla asteroidi tummaksi tai vaaleaksi, riippuen siitä halutaanko sen lähestyvän tai loittonevan auringosta.

Kaizu