Ray-Gun Reality: Inside Two 'Star Wars' -Projekter

{h1}

Tæl ikke laser våben ud endnu. Vækstpotentialet, der brænder med præcision over enorme afstande, er alt for militært tiltalende

For en vision om krig var det næsten elegant. Ryg og stænk og døvende knap af ammunition ville blive erstattet af usynlige bjælker af fokuseret lys. Modificerede 747 jets, udstyret med laser våben, ville sprænge ballistiske missiler, mens de stadig var hundreder af miles fra at ramme vores jord. "Directed-energy" -kanoner ville opfange indkommende raketter ved lysets hastighed, opvarme eksplosiverne inde og få dem til at briste hinanden i midair.

Og det var ikke noget relikvie af Reagan-æra Star Wars-visionærerne. Disse var moderne planer, der blev indledt knapt et årti siden, det ville blive realiseret ikke i en fjern fremtid, men snart. Uden for New Mexico-ørkenen ved White Sands Missile Range skød den amerikanske hærs taktiske High Energy Laser ned snesevis af Katyusha-raketter og mørtel. I 2004 begyndte luftvåbnens entreprenører at teste det kemisk drevne strålevåben til en retrofitted 747, Airborne Laser.

Derefter begyndte virkeligheden, og disse seneste bestræbelser på at spille slagmarkslaser begyndte pludselig at se som dømt som Star Wars. Generering af den megawatt af laserkraft, der var nødvendig for at detonere en missil krævede hundredvis af galloner giftige kemikalier-ethylen, nitrogen trifluorid. Våbenene voksede voldsomt. Værre, efter nogle få skud skulle laserne blive forsynet med et nyt sæt reaktanter. Logistik for at transportere disse toksiner enten gennem luften eller på tværs af en slagmark gjorde generalerne rystende. Og spørgsmål længe om, hvor effektivt strålerne ville trænge ind i støv og regn. Sidste år annullerede hæren sit Tactical High Energy Laser-projekt, og nogle tror, ​​at den vildt overbudgette strålefyring 747 måske er ved siden af.

Men tæller ikke laser våben endnu. Ray-gun potentialet af våben, der brænder med præcision over enorme afstande, er alt for militært tiltalende, især på et tidspunkt, hvor amerikanske soldater kæmper guerillafugle, der smelter hurtigt ind i baggrunden. "Hvis jeg kunne nå ud til en menneskemængde og tage ud et eller to mål uden støv eller rifle-hvis jeg kunne længe i lang tid uden at skulle genoplive", siger Marine Corps General General Bradley Lott "Det er noget, som USA's Marine Corps ville være meget, meget interesseret i at forfølge."

Men hvis kemiske lasere ikke kan skære det, hvad vil gøre strålekrigføring til virkelighed? Svaret er to gange. For det første realiserer Pentagon langsomt, at hvis det ønsker resultater, skal det sænke forventningerne. Skyd ned mørtel først, for eksempel derefter missiler. Endnu vigtigere er reemergence af to teknologier fra stjernekrigsstjernen og frielektronlaserne i de energiserede løftefaglige laboratorier fra to tidligere kolleger, som troede, at deres drømme om laser triumf var døde for mange år siden.

Hoppe til lyshastighed

Lasere virker i stort set på samme måde: Spænd visse typer atomer, og lyspartikler-fotoner udstråler. Reflektere det lys tilbage i de ophidsede atomer, og flere fotoner vises. Men i modsætning til med en lyspære, som gløder i alle retninger, bevæger denne anden batch fotoner kun i en retning og i låsestreg med den første. Og i stedet for at skinne i hver del af spektret, er laserlys alle de samme bølgelængder, som afhænger af "gain medium" -typen af ​​atomer-du bruger til at generere strålen. Skinn nok af det fokuserede lys, og tingene begynder at brænde.

De første lasereksperimenter i 1960'erne brugte rubinkrystaller som forstærkningsmediet. Men solid state lasere som disse kunne oprindeligt ikke producere mere end et par hundrede watt magt. Det er fint for øjenoperation. At slå ned en missil - som militæret først drømte om at gøre - tager millioner af magtmasser, og derfor forskede deres indsats mod de ultimativt mislykkede kemisk drevne lasere.

Der er en anden slags laser, dog en, der ikke kræver noget voluminøse kar af giftige kemikalier, ingen krystaller-ingen vinder medium overhovedet at generere sin stråle. Det hedder en frielektron laser (FEL), og den bruger en turboladet strøm af elektroner til at starte sin reaktion. Denne form for laser dominerede Star Wars nationale missilforsvarsprogram; det var det næsten mytiske dyr, som forskere George Neil og Bob Yamamoto var sammen på for forsvarsleverandør TRW.

Det blev hamstrung af høj effekt forventninger. Men både Neil, projektets chefforsker og Yamamoto, en projektingeniør, var sande troende. De troede, at med en tilstrækkelig forskning kunne en frielektron laser virkelig stoppe en skurkemission. Og de gennembrud, der kræves i atomfysik, optik og superledningsevne, ville have vidtrækkende fordele, selvom en ICBM aldrig blev zapped. Men efter 10 år og en halv milliard dollars af investeringer sprang den frielektron laser i TRW's lab ud på en elleve 11 watt-en tiendedel af hvad en lyspære genererer.

Efter flere år af ledere fortsatte med at love 10, 20 megawatt magt, trak Pentagon endelig stikket i 1989, og Star Wars gik ned i en flammeout af legendariske proportioner. Neil rejste særligt den måde, hvorpå de hensynsløse fremskrivninger havde dømt programmet og vendte sine energieffektivitetsideer til et grin. På videnskabelige konferencer i årevis efter ville Neil fortaler for at genoplive frie elektronforskning. "Folk syntes, at vi var vanvittige, og teknologien var umulig," siger han. "Og på det bare bevis var de rigtige."

Bob Yamamoto var i mellemtiden væk fra militære projekter i 15 år efter Star Wars-fiaskoen. Han gik på arbejde for Lawrence Livermore National Laboratory, TRWs partner i frielektron laser, byggemagneter til eksperimenter med høj energi fysik. Laboratoriet var tæt på Berkeley, Californien, hvor han var vokset op og gået på college, så skiftet gav ham chancen for at fortsætte med at køre og genopbygge importbiler-Toyotas og Datsuns - med sine gamle venner. I garagen og i laboratoriet udviklede Yamamoto et ry for at lave ting, der kunne køre hårdt. På grund af dette og hans tidligere laseroplevelse blev han tappet i 2003 for at køre Livermore's $ 50 millioner Pentagon-finansierede solid state laser projekt. Teknologien, der engang blev anset for så ufejlbarlig, blev genoplivet med mere målte fremskridtsforventninger. Yamamoto følte sig så komfortabel med solid state-teknologi som han gjorde med frielektronlasere, og det viste sig at være en spændende reentry i feltet. "Directed-energy våben, de er blevet lovet i mere end 30 år," siger han. "Jeg vil være den første på blokken for at sige," Vi tog det af. " "

Under GUN

Ammunitionen i Yamamotos nye solid state laser er et sæt af fire tommer firkantede gennemsigtige plader, der er tynde med det mindste hint af lilla. De er præcis, hvad du ville forvente at finde drivende kanoner om bord på Enterprise eller Millennium Falcon.

Et blad af disse gennemsigtige plader er ikke ligefrem uendeligt; i hvert 10. sekund slukker de, de har mindst et minut at afkøle. Men pladerne er infunderet med elementet neodymium, de atomer, der, når de er spændte, producerer de fotoner, der til sidst bliver laserstrålen, aldrig kan drænes af deres styrke. Og de er meget mindre besvær end store kemikalier. De er en stor grund til, at Yamamotos maskine klemmer sig ind i et enkelt 30-fods lab. Det er ikke svært at forestille sig det hele, der er pakket ind i en lille lastbil, og banker mørtel ud af luften. "Jeg har tænkt på implementering i lang tid," siger Yamamoto.

En solid-state laser som hans kunne nu gøre det til en krigszone, dels fordi baren til energiforsyninger er blevet sænket. Sprængning af en ICBM fra 100 miles væk kræver megawatt af lys. Solid state lasere kan aldrig blive så magtfulde. Men opvarmning af en mørtel fra en kilometer væk, indtil eksplosiverne inde i detonat-det tager kun 100 kilowatt.

Yamamoto kommer tæt på. Han viser ud snesevis af blokke af kulstofstål og aluminium, hver to inches høje og en tomme tykke. På dem alle er brændemærker og huller. En blok, mærket "6-6-05," er næsten fuldstændig kæmmet af et par halv-dollar-størrelse depression. Et reb af tidligere smeltet metal stikker ud fra bunden. "Kan du tro det?" Yamamoto spørger med en blomstrende tenor og et stort, drengeligt grin. Han ser meget yngre ud end hans 50 år. "Det er som at skinne en lommelygte, og ting smelter! Det er latterligt!" Livermore-laser, der skubbes fremad med større forstærkningsplader og øgede pulserende hastigheder, ramte 45 kilowatt kraft i marts 2005. Det er mere end tredobbelt, hvad laseren kunne gøre tre år før.

Men der er en nervøs spænding ved laboratoriet dagen jeg kommer til at besøge. Hver af pladerne er omgivet af en serie af 2.880 lysemitterende dioder, ligesom dem i en urradio. Når de skinner, spænder de atomerne i de transluscente keramiske kompositter og begynder laserkædereaktionen. Problemet er, at jo mere dioderne lyser, desto mere temperaturafvigelser forringer strålens kvalitet. Den infrarøde stråle, der er usynlig for det blotte øje, begynder at miste noget af dets kvalitet. Det er dårligt, fordi Pentagon ønsker at se en fin, stram stråle, såvel som en kraftig. Og forsvarsministeriets team af testere er på plads her næste tirsdag. Besøget vil i vid udstrækning afgøre, om Livermore-holdet vil få kontanter til at gøre sin næste laser: en 100 kilowatt, våbenkvalitetsmaskine.

Så Yamamotos team laver sidste øjebliksjusteringer til "adaptive optik" -mirrene udstyret med mere end 200 aktuatorer, der bøjer dem for at kompensere for forvrængninger i strålen. Yamamoto er høfligt undskyldende. "Jeg er ked af det, men vi er under pistolen," siger han, da vores møde trækker i afslutning.

Wiggling gennem

George Neil har ikke så travlt, når jeg møder ham et par dage senere. Den tynde 58-årige "death race" løber - han har for nylig afsluttet en ultralyd på 78 kilometer gennem de canadiske Rockies - har været i gang med en gratis-elektronlaser i mere end et kvart århundrede. Det vil være endnu et par år før han har en så stærk som Yamamotos solid state-maskine. Så han har tid til at vise mig omkring hans laboratorium på Department of Energy's Thomas Jefferson National Accelerator Facility i Newport News, Virginia.

Han åbner et par magnetisk lukkede døre. Indvendig er en 240 fod lang kæber af kobberrør, gummislanger og stålrør med et dusin forskellige størrelser. Næsten alt det er designet til at gøre en ting: generere massivt magtfulde pulser af elektroner, bevæger sig ved 99,999 procent lysets hastighed. Elektronerne skynder sig gennem præcisionstimede mikrobølgefelter, der samler styrke og hastighed undervejs. Derefter sendes elektronstrålen via en "wiggler", en serie på 29 magneter, der bøjer elektronstrømmen op og ned. I processen udsender elektronerne fotoner - og laserkædereaktionen begynder. Dette er Neils forstærkningsmedium, hans svar på Yamamotos plader og kemiske lasers giftige gasser, og det er ved at øge strømmen og kvaliteten af ​​denne elektronstråle, som Neil fremmer sin teknologi.

FEL's "tunability" er, hvad fik militæret interesseret i første omgang.De fleste lasere mister styrke, når de bevæger sig gennem og bliver absorberet af atmosfæren. En lille regn gør kun tingene værre. Men en fejl kunne bruge uanset bølgelængde strømmer gennem luften det bedste. Og der er ingen tømning af det "uendelige blad". Ikke underligt, Los Alamos National Laboratory-direktør Doug Beason kalder det lasers 'Hellige Graal. Men kan nogen trække det ud?

Efter Star Wars gav ultramarathoner Neil sin tid og pacede sig og ventede på teknologien til at indhente. I fem år arbejdede han her hos Jefferson Lab på en gigantisk partikelaccelerator. Labs direktør lovede at han kunne bygge FEL bagefter. Endelig, i 1995, da det var tid til at sætte maskinen sammen, udviklede Neil og hans team en ny fejl, der ville producere et enkelt kilowatt lys - ikke superstrength laserne lovede tilbage i 80'erne. I 1999 brød de rekordstyrkeniveauerne af Star Wars-modellen FEL med 100 gange. I 2003 ramte den nye FEL 10 kilowatt, en anden rekord. "Jeg troede altid, at teknologien ville komme derhen," siger Neil med et tilfredsstillende smil, "hvis vi tog håndterbare skridt med rimelige mål."

Og nu har Neil militærets opmærksomhed igen. Forsvarsministeriet investerer 14 millioner dollars om året i maskinen. Der er tale om at udstyre Navy's næste generation af destroyers med frielektronlasere. I dag har skibene ikke præcisionsvåben til at stoppe raket- og småbådsangreb, som den slags al-Qaida, der er brugt mod USA. Cole i 2000. En laser kan være i stand til at håndtere jobbet. Og kun en frielektron laser kunne indstilles til at skære gennem den brune havluft.

I december får Neil gode nyheder. Navy har forpligtet sig til den påviste FEL på en stor måde: 180 millioner dollars til en otteårig indsats på flere hold. "Der er mange udfordringer i forvejen," skriver han, "men vi er i det mindste begyndt."

Alligevel er Neils følelser lidt bittersøde. Resultaterne er kommet for Pentagons solid state laserkonkurrence også - og hans gamle ven og kollega Bob Yamamoto tabte ud. Pengene til at bygge en solid-state-laser i våben i laboratoriet går i stedet til et hold hos Northrop Grumman.

Northrops design var ikke alt andet end Yamamoto's, men i stedet for de fire store gennemsigtige plader i kernen i Yamamotos maskine, afhænger Northrop af flere mindre krystaller. Mindre energi er koncentreret på individuelle krystaller, så der er færre ufuldkommenheder i strålen. "Jeg er forbløffet over, hvor meget strøm vi kommer ud af et stykke glas på størrelse med en tyggegummi," siger Northrop-programleder Jeff Sollee, en 30-årig energiledende veteran, senest med forsvarsleverandørens sidste stort kemisk-laser program, den taktiske High Energy Laser. Pentagon har givet Sollee 33 måneder til at bringe sin maskine til slagmarksstyrke.

Yamamoto fortsætter med at stille sin laser tydeligt, til trods for Pentagons beslutning mod ham. Han har lært, at der i dette tilfælde kan ske noget. "For øjeblikket holder vi en ekstrem lav profil," siger han. "Men vi er ikke færdige."

Noah Shachtman redigerer defensetech.org, en militærteknologisk blog.


Video Supplement: Do We Have Laser Guns Like In Star Wars?.




DA.WordsSideKick.com
All Rights Reserved!
Reproduktion Af Materialer Tilladt Kun Prostanovkoy Aktivt Link Til Webstedet DA.WordsSideKick.com

© 2005–2019 DA.WordsSideKick.com