Поле против силы

ПОЛЕ ПРОТИВ СИЛЫ

В фантастических фильмах довольно часто можно увидеть, как в случае опасности звездолет окружает себя защитным силовым полем, непроницаемым для ракет и снарядов противника. Интересно, а можно ли создать такое поле в действительности? Делают ли такие попытки специалисты?

Андрей Сумароков, г. Нижний Новгород

Спасибо Фарадею!

Начнем с прописных истин: знанием о том, что в природе существуют силовые поля, мы обязаны знаменитому английскому физику Майклу Фарадею. Во всех учебниках описано сделанное им в 1831 году открытие.
Пронося постоянный магнит над проволочной рамкой, он заметил по отклонению стрелки гальванометра, что в рамке возникает электрический ток.

Заинтересовавшись этим явлением, Фарадей, по существу, и создал современную электротехнику. Ведь все со
временные электрогенераторы и моторы работают на основе открытого им закона электромагнитной индукции.

За прошедшие с той поры полтора с лишним столетия ученые выяснили, что, кроме открытых Фарадеем
электромагнитных сил, в природе существуют еще так называемые сильные и слабые взаимодействия, проявляющие себя на сверхмалых расстояниях внутри атомного ядра, а также сила тяготения, или гравитация, которая, напротив, может проявлять себя на сверхбольших, астрономических расстояниях.

Сильное и слабое взаимодействия в качестве силового поля не подходят из-за своего малого радиуса действия.
О гравитации тоже пока говорить трудно. Во-первых, потому, что сегодня мы все еще практически ничего не
знаем о физической сущности гравитации, хотя со времени открытия закона всемирного тяготения соотечественником Фарадея Исааком Ньютоном тоже лет миновало немало. Во-вторых, как справедливо подчеркнул Ньютон, гравитация — это сила притяжения; это она притягивает небесные тела друг к другу. Нам же нужна в данном случае сила отталкивания, то есть антигравитация, о которой мы знаем еще меньше…

В общем, получается, надеяться нам остается лишь на электромагнитные силы. О них и поговорим.

От электростатики к динамике

Из школьного курса физики известно, что электрические заряды бывают двух видов — положительные
и отрицательные. Причем заряды одного знака взаимно отталкиваются, в то время как заряды противоположных знаков взаимно притягиваются.

Этим свойством давно пользуются в ускорителях элементарных частиц, заставляя их, эти самые частицы, как правило, имеющие тот или иной заряд, направляться точно в заранее выбранное место, например, в мишень.

Но можно, в принципе, решить и обратную задачу — отгонять элементарные частицы от мишени.

Стало быть, задача создания защитного силового поля могла бы быть решена, стреляй противник заряженными частицами. Но ракеты и снаряды отвратить от цели куда сложнее. Тем не менее, можно.

Суть такой динамической защиты можно понять опять-таки из школьного опыта. Вспомните, что будет,
если внутрь катушки-соленоида с обмоткой вставить металлический сердечник. Стоит подать импульс тока — и сердечник вылетает из катушки, словно из пушки.

Кстати, подобные электромагнитные орудия еще до Второй мировой войны предлагал инженер Александр
Казанцев, прославившийся впоследствии своими фантастическими произведениями. Но, если гвозди из соленоида с силой попадали в деревянные мишени, то все попытки перенести эксперименты на полигон, а тем более на поле боя и по сей день кончаются ничем.

На самом деле, оказывается, в комплекте вместе с электромагнитной пушкой надо иметь еще целую
электростанцию для зарядки батареи сверхмощных конденсаторов, которые затем и разряжаются в доли секунды, формируя сверхмощный импульс. «Такая технология еще худо-бедно годится для посылки, например, снарядов на Луну (подробности см.в «ЮТ» № 3 за 2009 г.). Но создать защитный силовой
экран вокруг танка, самолета или космического корабля она вряд ли поможет, Хотя, впрочем, первые попытки создания электромагнитной защиты для танков все же ведутся. Но опять-таки эксперименты пока еще не вышли за пределы полигона.

Обратимся к плазме

В тех же фантастических фильмах иногда можно видеть, как звездолеты при включении силового поля окутываются неким голубоватым сиянием. Так кинематотрафисты хотят наглядно показать, что создание защитного поля может быть связано с образованием облака плазмы.
Плазма — это четвертое состояние вещества, которое отличается от твердого, жидкого и газообразного тем,
что атомы в плазме не связаны между собой и лишены электронов. Кстати, видимое вещество Вселенной существует по большей части как раз в форме плазмы. Из нее состоят Солнце, звезды и меж звездный газ.

В данном же случае, для нас интересно то, что атомы, лишенные электронов, обладают электрическим зарядом. А стало быть, ими можно управлять при помощи электромагнитных полей. Так, например, в термоядерных реакторах типа «токамак» именно с помощью таких полей плазме стремятся придать форму тонкого кольцевого шнура, из которого потом собираются черпать энергию.

Таким образом, плазму можно удерживать в определенном объеме и придать ей нужную форму. К примеру, плазме можно придать форму листа. Этим, кстати, уже пользуются на практике. Так в 1995 г. физик Эдди
Гершкович из Брукхейвенской национальной лаборатории (Лонг-Айленд, штат Нью-Йорк) придумал так называемое «плазменное окно».

Понадобилось оно ему вот для чего. В некоторых областях промышленности, например в ракетной, наряду
с обычной электрической или газовой сваркой применяется и электронная, когда две металлические детали
соединяют между собой, нагревая их края пучком электронов. Такой способ сваривать металлы быстрее, чище и дешевле, чем обычная сварка. Но есть у него и недостаток — электронную сварку необходимо осуществлять в вакууме. Иначе сварной шов тут же попадают примеси из окружающего воздуха и качество соединения резко ухудшается.

В общем, такой сваркой удобно пользоваться в условиях космического вакуума, но весьма проблематично
на Земле. Приходится помещать свариваемые части изделия в вакуумную камеру. Ну, а если ведется сварка
дюз огромной ракеты, значит, получается, и вакуумная камера должна быть соответствующих размеров?..

И тогда Гершкович пошел на хитрость. Он предложил изолировать от атмосферы только ту часть свариваемого изделия, где сварка ведется как раз в данный момент.  А для этого прикрыть данный фрагмент своеобразным «плазменным флюсом». При обычной сварке, как известно, именно флюс, плавясь, прикрывает непроницаемой для воздуха коркой место сварки. А тут роль флюса выполняет плазма, которую получают в плазмогенераторе — устройстве около 1 м в высоту и порядка 30 см в диаметре. Внутри его газ нагревается до температуры 6500`С, и получается плазма, которая сразу же попадает в ловушку электромагнитного поля и обволакивает место сварки. При этом частицы плазмы, как и любого газа, оказывают давление, которое не дает воздуху прорваться к месту сварки, и обеспечивают надлежащее качество сварного шва.

Но можно ли использовать плазменный «щит» против ударов ракет и снарядов? По идее, не так сложно
представить себе некий генератор плазмы, который будет формировать сильную струю, которая заставит
варываться и плавиться летящие ракеты и снаряды еще на подлете к цели.

Но для работы такого генератора опять-таки понадобится немалое количество энергии. Кроме того, плазменное поле как разновидность электромагнитного более действенно против тел, имеющих электрический заряд. Такой заряд довольно просто навести в металле.
Но что будет, если кому-то в голову придет идея вспомнить старое?.. Некогда стреляли каменными ядрами, а в ХХI веке можно стрелять, например, снарядами с керамическими наконечниками…

Придется, видимо, подумать о многослойной защите. Возможно, каждый слой сам по себе не будет достаточно прочным, чтобы остановить пушечное ядро, но вместе они сделают это достаточно эффективно.

Невидимая броня в несколько слоев

Попробуем же представить себе структуру такого силового поля. Первый, внешний, слой, к примеру, может представлять собой нечто вроде плазменного щита, где плазма разогрета до температуры, достаточной для испарения металлов. Затем следует второй слой, представляющий собой решетку из высокоэнертетических лазерных лучей. Она будет испарять те объекты (скажем, керамические стержни), которые прорвались через первую линию обороны.

Далее — третий рубеж защиты, представляющий собой пространственную решетку из «углеродных нано-
трубок». Такие трубки во много раз прочнее стали. Пока самая длинная из полученных в мире углеродных
нанотрубок имеет длину всего около 15 мм, но, вероятно, в будущем технологи смогут создавать углеродные
нанотрубки произвольной длины и плести из них сети чрезвычайной прочности. Эти сети будут вылавливать
те объекты, которые смогут проникнуть через два предыдущих рубежа защиты.

Экран из нанотрубок будет невидим, так как каждая отдельная нано нить по толщине сравнима с атомом.
А значит, ей будет свойственен один недостаток — она не сможет задерживать лазерное излучение. Потому, чтобы остановить лазерный луч, наш многослойной щит должен будет обладать еще и сильно выраженным свойством фото хроматичности, или переменной прозрачности.

В наши дни материалы с такими характеристиками используются при изготовлении солнечных очков. Переменная прозрачность материала достигается за счет использования молекул, которые могут существовать, по крайней мере, в двух состояниях. При одном состоянии молекул такой материал прозрачен. Но под воздействием УФ-излучения молекулы мгновенно переходят в другое состояние, и материал теряет прозрачность. Примерно на том же принципе действуют и очки, предохраняющие глаза военных пилотов и солдат пехоты от слепящего лазерного излучения. Так что со временем, вероятно, можно будет создавать и целые экраны из фотохромного стекла, способные противостоять самому сильному лазерному излучению.

Но есть ведь еще микроволновое, рентгеновское и террагерцовое излучения, над защитой от которых еще
придется подумать. Так что в силовом щите неизбежно появление все новых и новых слоев. Таким образом,
извечное противоборство «меча и щита» будет продолжено, только на новом физическом уровне.

Публикацию подготовил
©. НИКОЛАЕВ

ЮТ 09.2009