ВНИИЭФ против астероидов

Мировая наука признает столкновение Земли с крупным астероидом одним из наиболее вероятных сценариев конца света. Ученые из РФЯЦ-ВНИИЭФ приняли этот факт как руководство к действию. В 2016 году там провели первое в мире моделирование ядерного удара по астероиду. О том, к каким выводам пришли исследователи, «СР» рассказал заместитель директора Института лазерно-физических исследований РФЯЦ‑ВНИИЭФ, доктор физико-математических наук Владимир Рогачев.

— Расскажите предысторию исследований.

— Примерно четыре года назад в Снежинске проходила конференция, на которую приехали американцы из Лос-Аламоса и Ливермора, человек шесть. Конференция была посвящена астероидной теме. Уральцы давно занимаются этим вопросом. Кроме того, замруководителя дирекции ЯОК, директор департамента разработки и испытаний ядерных боеприпасов и военных энергетических установок «Росатома» Олег Шубин был одним из участников этих работ. Суть в следующем: нужно обнаружить летящий к Земле астероид, классифицировать его и, если он опасный, запустить ракету с боеголовкой, чтобы раз рушить ядерным взрывом. Одним из наиболее интересных был доклад, посвященный Чебаркульскому метеориту, упавшему рядом с Челябинском. Сам он весил 10 тыс. т, шел на огромной скорости 19 км в секунду, по наклонной трассе к поверхности Земли. До Земли он не долетел, рассыпался, это зафиксировано на тысяче фотографий и видео. Параметры астероида были очень точно установлены. Первым его обнаружила система NASA, но довольно-таки поздно, он уже подлетал к Земле. Если бы он упал на Землю целым, это был бы взрыв мощностью порядка 400 кт, это как 20 Хиросим. Да, не было бы радиоактивности, но свет, ударная волна были бы огромны. На Земле и на Луне есть кратеры диаметром 1 – 1,5 км от падения схожих по массе и скорости метеоритов. Перед поездкой на конференцию я размышлял о том, что можно сделать для решения проблемы разрушения астероида ядерным взрывом. Эксперимент с ядерным боезарядом мы произвести не в состоянии, иначе он пройдет первый и последний раз. Детальные расчеты не могут все охватить, да и очень дорого стоят. Значит, надо хорошо смоделировать в миниатюре.

Чем хорош ядерный взрыв? Он очень мощный в расчете на единицу массы: 1 т — это примерно 1 Мт тротила. Нужен был источник, который был бы не как взрывчатка, а давал бы такую же энергию на единицу массы. Лучше всего подходил лазер. Масса, которую порождает импульс, практически равна нулю, а энергия какова? Сфокусировав лазерное излучение на поверхности, мы создаем условия мощного локального мгновенного взрыва. Я задавался вопросом: а найдется ли такой лазер? С изумлением обнаружил, что если мы возьмем макет астероида (той же формы, что и большой) диаметром 1 см или даже 0,5 см и направим на него пару-тройку сотен джоулей энергии, то сможем смоделировать искомую ситуацию. Отмечу еще один важный момент. Макет должен быть из такого же вещества, что и настоящий астероид. Брать вещество натурального метеорита — допустим, каменного, которым мы большей частью сейчас занимаемся, — нельзя. Почему? Потому что эти каменные метеориты, они еще называются хондритами, имеют интересную структуру. Большой метеорит диаметром сотни метров более-менее однороден, крупных, прочных камней нет, зато есть 1 – 2-миллиметровые остекленевшие «слезки» — хондры. То есть если мы изготавливаем маленький макет, то в этой модели диаметром 5 мм будут хондры размером 1 – 2 мм — очень прочные, крупные включения. В натуральном метеорите таких нет. Если сопоставить 200 м метеоритов и 5 мм макета, то примерно так же должны соотноситься и структурные части. Вернувшись с конференции, мы организовали работу в инициативном порядке. Нас во всем поддерживал директор ИЛФИ Сергей Гаранин и научный руководитель РФЯЦ-ВНИИЭФ Радий Илькаев. Обратились к технологам за макетом. Раздобыли окись железа, cульфид железа, кварц. Эти и еще несколько компонентов растерли в мельчайшую пыль, смешали в нужных пропорциях, поместили под пресс, спекли «таблетки». Были сделаны расчеты стилизованного ядерного взрыва для среднего вещества — без хондр и лазерного воздействия, и выяснилось, что погрешность между теоретическими и смоделированными расчетами меньше чем в два раза.

— Это хороший показатель?

— Это очень хороший показатель. Ведь масса макета и масса метеорита различаются в 1015 раз. Таким образом, теоретики рассчитали, технологи сделали новое вещество, тождественное метеориту, лазерщики провели эксперимент. Хотя каменных метеоритов большинство — 96 % из тех, которые прилетают на Землю, мы проводили эксперименты еще и с чугуном, который имитирует железно-никелевые метеориты, и с обычным льдом — ледяных метеоритов тоже хватает. Эксперименты нашли поддержку у Олега Шубина, были открыты финансируемые программы. Сегодня таких исследований в мире никто не делает. Но это лишь одна из задач в рамках создания системы защиты от астероидов. Первая задача — конечно же, обнаружение, классификация, высокоточное сопровождение, далее — создание бомбы, которая должна быть безопасной при запуске, и ракеты. Есть еще один немаловажный вопрос: а как дробить астероид? Да, бомба взорвется и расколет астероид пополам. Радости от этого мало, он как летел, так и будет лететь, только будут лететь две части рядом. Нужно дробить на осколки диаметром меньше 20 м, как Чебаркульский. С такими атмосфера уже более-менее справляется. В ходе моделирования мы наблюдали и то, как лазер разбивает модель вдребезги, и разлет кусков. Моделирование показало, что, если летит, к примеру, каменный астероид диаметром 200 м — а по разрушительной силе это раз в десять больше, чем «Царь-бомба», — необходимо примерно за месяц запустить ракету, чтобы за две недели до прилета на Землю его раскрошить. Порядка 6 Мт будут разбиты на части, более того, они получат дополнительную скорость. Да, некоторые части упадут на Землю, но, так как они небольшого размера, никакого апокалипсиса не будет. Наши расчеты проводились с запасом. Ключевое достижение в следующем: мы экспериментально смоделировали процесс и определили критерий достаточности.

— В каком направлении вы будете работать дальше?

— В прошлом году в ИЛФИ продумали, как сделать макет ледяного астероида. Берется медная проволока, опускается в жидкий азот, остывает, погружается в воду, начинает образовываться лед. Снова в жидкий азот, в воду. И так происходит постепенное наращивание. Затем макет, который находится в холодной воде, погружают в специальную камеру и откачивают из нее воздух. Получается долговременный холодильник. Однако мы столкнулись с тем, что давление паров в камере было относительно большим, 0,1 – 0,01 мм ртутного столба. А мы привыкли работать с давлением в тысячу раз меньше, то есть остаточных газов в камере в обычных экспериментах не было. Здесь же лазер может сфокусироваться и выделить энергию не на мишени, а рядом. Мы провели оценку, и оказалось, что это не опасно. Есть еще одна проблема — мы не можем собрать ледяные осколки, так как при разлете они превращаются в воду. Поэтому зафиксировать их поведение при воздействии на ледяную мишень мы можем только с помощью киносъемки. Вот этим мы и будем заниматься.

Будем больше уделять внимания моделям железно-никелевых метеоритов. Также поставлена задача проверить так называемый масштабный фактор. Мы планируем работать на макетах уже диаметром 3 – 5 см вместо 0,5 см.

Миллионер из США Ларри Холл в 2008 году выкупил у федерального правительства за 300 тыс. долларов заброшенную шахту, построенную в 1961 году для баллистической ракеты. Он вложил 20 млн долларов в переоборудование шахты в автономное убежи­ще на случай масштабных катаклизмов. Получилась смесь бункера и апартаментов. Ларри Холл продал 11 апартаментов, по 3 млн за каждый. Одну квартиру оставил для себя.

— Увеличение макетов намного повысит точность экспериментов?

— Повысит точно. Кроме того, это даст возможность экспериментально убедиться в том, какое влияние оказывает структура. Мы сможем в гораздо большем диапазоне сделать вкрапления.

— Какие общие проблемы надо решить?

— Во-первых, значительно повысить пространственную и временную точность, классифицировать астероиды по уровню угрозы. Во-вторых, проблема лежит в области международных отношений: да, какая-то страна и решит защититься от астероидов. Но никто же не поверит, скажут: «У вас стоит баллистическая ракета, мощнейшая ядерная боеголовка, а вы говорите об астероидах? Вы — ядерная держава». Это может быть решено лишь на международном уровне и при высокой степени доверия, ведь ракета, стоящая с ядерной боеголовкой, — вещь опасная. Но, пожалуй, если замаячит перспектива быть стертыми с лица земли астероидами, то надо рискнуть. США ведут работы в этом направлении, есть соответствующие комитеты. Проводится классификация астероидов, всего их насчитывается порядка 5 – 6 тыс. Систему реальной защиты от астероидов без международного соглашения не создать.

— Знают ли о наших разработках в других странах?

— Думаю, почти нет. Прошлым летом я выступал на конференции «Оптика лазеров» в Санкт- Петербурге, там иностранцы были, но они лазерщики. Делались доклады в Сарове, на Харитоновских чтениях и совсем недавно, 7 февраля, на научно- техническом совете, посвященном Дню российской науки. Почетный научный руководитель РФЯЦ-ВНИИЭФ Радий Иванович Илькаев в декабре прошлого года выступал с докладом на Президиуме РАН, в котором говорилось о наших достижениях. Один обстоятельный доклад готовится к ближайшим Забабахинским чтениям в Снежинске. Мы ожидаем публикацию в Журнале экспериментальной и теоретической физики.

— Мы в этой области знаний лидеры?

— Этим делом мало кто может заниматься. Нужно иметь представление о том, что такое ядерная бомба, ядерное оружие и какие процессы происходят при взрыве. Такими компетенциями обладают США, Китай, Франция, Великобритания. Возможно, Индия и Израиль, которые предположительно имеют ядерное оружие. Но этого мало — нужны те, кто может делать расчеты, разработать технологии. Если сложить все перечисленное, можно сделать вывод: в России это только ВНИИЭФ, в США — Ливермор. Остальные либо не могут, либо не интересуются.

— Насколько затратен проект противоастероидной защиты планеты?

— Довольно затратен. Но надо взять максимум готовых разработок и проверить, подойдут ли они, рассмотреть оптимизацию затрат. Возможно, мы обойдемся теми ядерными боеголовками, которые у нас есть. Но выдержат ли они мощную перегрузку при запуске на орбиту? Возможна ли работа боеголовок в холодном вакууме? Надо провести анализ. Предположительно это миллиарды долларов — не так много в мировом масштабе.

— Можно ли сравнить этот проект с советским атомным проектом?

— Атомный, безусловно, серьезнее. Тогда все было впервые. Не было ничего — ни ядерных материалов, ни характеристик ядерных реакций, ни взрывчаток, были сжатые до невозможности сроки. Здесь же мы конструируем из почти известных кубиков, складываем их в систему, это все-таки проще.

Три самых известных столкновения космических тел с Землей

Тунгусский метеорит, 1908 год

Пожалуй, самое загадочное столкновение. В то время уровень знаний в области физики и астрономии уже находился на достаточно высоком уровне. Тем не менее, до сих пор нет четкого понимания, что же упало на Землю в тайге в районе реки Подкаменная Тунгуска. Основные версии — ледяной астероид или комета. Взрыв космического тела произошел в 5 – 15 км над поверхностью земли. Его мощность оценивается в 40 – 50 Мт (сопоставим со взрывом самой мощной в истории «Царьбомбы», испытанной на Новой Земле). В результате были повалены деревья на площади 2,1 тыс. кв.км. Удар зафиксировали сейсмические станции в Иркутске, Тбилиси и даже в немецком городе Йене.
Метеорит «Челябинск» (Чебаркульский), 2013 год

Самый изученный из крупных. Каменный астероид массой около 10 тыс. т вошел в атмосферу Земли на скорости 19 км/с и взорвался на высоте порядка 25 км. Самый большой фрагмент, 570 кг, был позднее извлечен из озера Чебаркуль. Сила взрыва в атмосфере оценивается в 400 кт — 1,5 Мт в тротиловом эквиваленте. Экономический ущерб от падения метеорита оценен в 1 млрд рублей. Мир больше поразила не сила взрыва, а суровость челябинцев. На распространенных в сети записях зафиксирована спокойная реакция местных жителей на апокалиптическую картину. Многие невозмутимо продолжили путь на работу (метеорит упал в утренний час пик).
Чиксулубский метеорит

Гипотетически самый разрушительный. Во всяком случае, на Западе распространена версия о том, что 65 млн лет назад столкновение этого астероида с Землей привело к вымиранию динозавров. Исходя из размеров Чиксулубского кратера (радиус 90 км) на полуострове Юкатан в Мексике, ученые пришли к выводу, что астероид был диаметром около 10 км. Врыв мощностью 100 Тт породил цунами высотой 50 – 100 м, которое ушло в глубь материков. Взрыв также образовал высокотемпературную ударную волну, которая вызвала глобальные пожары. Другое гибельное следствие — аналог ядерной зимы, похолодание, начавшееся из-за огромного количества пыли и сажи в атмосфере.