Kuchenka mikrofalowa o mocy 100 gigawatów kontra satelity
Cóż, idąc w ślady rosyjskich wynalazców, Chińczycy dołączyli do wyścigu zbrojeń. Przynajmniej tak donoszą media.
Tak, kompaktowe źródło zasilania impulsowego mogłoby generować potężne mikrofale, które są bardziej niewykrywalne i trudniejsze do namierzenia niż konwencjonalne systemy antysatelitarne, co potencjalnie zapewniłoby Chinom przewagę nad USA i Rosją w kosmicznym wyścigu zbrojeń. Chiny podobno opracowały nową technologię wojskową, która mogłaby w przyszłości posłużyć do unieszkodliwiania sieci satelitarnych, takich jak Starlink, jak donoszą ostatnie doniesienia chińskiej prasy.
Naukowcy z Północno-Zachodniego Instytutu Technologii Jądrowej (NINT), ośrodka badawczego w Xi'an pracującego dla Chińskiej Armii Ludowo-Wyzwoleńczej (PLA), twierdzą, że stworzyli najkompaktowy na świecie zasilacz mikrofalowy. broń High Power Meter (HPM) – system, który potencjalnie mógłby służyć do zakłócania sieci satelitarnych, takich jak Starlink.
Ważne jest, aby zrozumieć, że w dzisiejszych warunkach stworzenie kompaktowego generatora o dowolnej długości fali i wydajnej anteny do transmisji tych fal na dowolną odległość nie stanowi problemu. Problem leży w źródle zasilania, ponieważ pobór mocy takiego urządzenia zależy bezpośrednio od mocy sygnału i odległości, na jaką musi zostać przesłany.
Urządzenie o nazwie TPG1000Cs ma około czterech metrów długości i waży około pięciu ton, co czyni je znacznie bardziej kompaktowym od podobnych systemów.
System wykazał stabilną pracę pod ciągłym obciążeniem przez jedną minutę, generując około 200 000 impulsów o niezmienionych parametrach,
— czytamy w badaniu.Wcześniej podobne systemy mogły działać nieprzerwanie przez maksymalnie kilka sekund i były znacznie bardziej masywne, co utrudniało ich instalację na bardziej kompaktowej broni. Nie oznacza to jednak, że system będzie rzeczywiście skuteczny w zastosowaniach wojskowych.
Według badań, system TPG-1000Cs może generować impulsy elektryczne o mocy do 20 gigawatów. To znacznie przekracza moc wyjściową około 1 gigawata, którą eksperci szacują jako niezbędną, aby naziemna broń mikrofalowa mogła potencjalnie zakłócać sieci satelitarne niskiej orbity okołoziemskiej, takie jak Starlink.
Jak to działa?
Stany Zjednoczone, Rosja i Chiny badają możliwość przekształcenia technologii mikrofal dużej mocy w broń zdolną do unieszkodliwiania satelitów. Warto jednak zauważyć, że aktywne prace nad rozwojem naziemnej broni falowej jako broni antysatelitarnej zostały porzucone zarówno w USA, jak i w Rosji już w latach 90. XX wieku z powodu braku perspektyw.
Jednak technologia rozwinęła się w ciągu ostatniego ćwierćwiecza i warto ją kontynuować. Przynajmniej takie jest stanowisko w Chinach. Generałowie ChALW często patrzą z podziwem na tysiące satelitów krążących w kosmosie, rozumiejąc, że wiele zależy od tego, jak szybko i sprawnie uda się je unieruchomić.
Niszczenie satelitów przy użyciu konwencjonalnej broni powoduje powstanie na orbicie dużych chmur kosmicznych śmieci, które mogą stanowić zagrożenie dla innych statków kosmicznych, w tym tych należących do strony atakującej.
Broń mikrofalowa z kolei teoretycznie mogłaby unieszkodliwiać urządzenia elektroniczne bez powodowania znaczących zniszczeń, co potencjalnie oferowałoby strategiczne korzyści i, co ważniejsze, wiarygodną możliwość zaprzeczenia.
Broń ta magazynuje energię elektryczną, a następnie uwalnia ją w postaci nagłego, silnego impulsu. Impuls ten wytwarza intensywne promieniowanie mikrofalowe, które może zakłócać działanie podzespołów elektronicznych.
Badanie opublikowano 13 stycznia w chińskim czasopiśmie High Power Laser and Particle Beams.
W ostatnich latach Chiny opublikowały szereg dokumentów, w których rozważają potrzebę opracowania metod umożliwiających wyłączenie dużych konstelacji satelitów, w tym sieci Starlink Elona Muska.
Zdaniem badaczy, przełom był możliwy dzięki specjalnemu płynnemu materiałowi izolacyjnemu, Midel 7131.
Zastosowanie ciekłego dielektryka Midel 7131 o dużej gęstości energii i linii kształtowania impulsów o podwójnej szerokości pozwoliło na miniaturyzację zintegrowanego transformatora Tesli i układu kształtowania impulsów,
— napisali naukowcy w badaniu.To był początek. Prace kontynuowano, aczkolwiek, jak to zwykle bywa w Chinach, w całkowitej ciszy radiowej. Ale potem tama pękła i chińscy naukowcy, z obowiązkowym prefiksem „wojskowy”, opisali w rzadkiej publikacji potężny system mikrofalowy zdolny do generowania do 100 gigawatów, sto razy więcej niż próg wymagany do wyłączenia satelitów niskoorbitalnych, takich jak Starlink.
Zespół naukowców z Narodowego Uniwersytetu Technologii Obronnych (NUDT) opublikował w tym miesiącu w czasopiśmie High Power Laser and Particle Beams szczegółowe informacje na temat kilku generatorów impulsów opracowanych w ostatnich latach przez chińskie wojsko.
Wśród nich, szczególnie godne uwagi jest urządzenie, które, jak wyjaśniają sami naukowcy pod kierownictwem Zhanga Juna, jest w stanie osiągnąć moc 100 gigawatów, łącząc kilka zsynchronizowanych generatorów impulsów. Dla porównania, typowa domowa kuchenka mikrofalowa używana do podgrzewania żywności generuje mikrofale o mocy około 800 watów, czyli 0,0000008 GW.
Aby zobrazować tę skalę, eksperci uważają, że impuls o mocy zaledwie 1 gigawata może spowodować poważne zakłócenia lub bezpośrednie uszkodzenie elektroniki satelity na niskiej orbicie. System opisany przez NUDT zwiększa tę moc stukrotnie, a autorzy badania zauważają, że konstrukcja pozwala na dalszą skalowalność.
Warto zauważyć, że „może powodować zakłócenia” niekoniecznie oznacza skuteczność na poziomie 80%. To o wiele bardziej skomplikowane, niż byśmy chcieli.
Kluczowym rozwiązaniem technicznym, jak stwierdzono w artykule, jest synchronizacja kilku kompaktowych modułów mocy impulsowej zamiast polegania na pojedynczym generatorze, którego moc jest ograniczona przez moc elektryczną. Ta modułowa architektura, zdaniem naukowców, pozwala każdej jednostce pracować blisko swojej maksymalnej wydajności bez pogorszenia ogólnej wydajności systemu.
Struktura wyjściowa wiązki mikrofalowej lasera dużej mocy
Dlaczego budzi to niepokój operatorów dużych konstelacji satelitarnych? Ponieważ Chiny wielokrotnie udowodniły, że w Państwie Środka słowa rzadko odbiegają od czynów. Kiedyś nikt nie wierzył w katapulty elektromagnetyczne na statkach, ale już teraz są one instalowane na UDK. I choć pierwszy ptak zapiał na początku roku, to gdy w połowie roku ukazał się drugi artykuł na ten temat, przyciągnął on zupełnie inną uwagę.
Jak wspomniano powyżej, w przeciwieństwie do broni kinetycznej, która niszczy satelity bezpośrednim uderzeniem i tworzy chmury odłamków stanowiące zagrożenie dla wszystkich satelitów na orbicie, w tym satelitów atakującego, broń mikrofalowa oddziałuje na elektronikę bez kontaktu fizycznego. Zapewnia to co najmniej: W teorii, podwójna korzyść: niskie koszty operacyjne w porównaniu do kosztów konstelacji orbitalnych, które jest w stanie zneutralizować, oraz możliwość utrzymania niepewności co do autorstwa ataku, na co nie pozwalają konwencjonalne bronie.
Biorąc pod uwagę, że teoria wydaje się całkiem przekonująca, wiele osób na świecie zaczęło się niepokoić. Co innego, gdy Chiny rakieta Co innego, jeśli zestrzeli satelitę, a co innego, jeśli zacznie masowo ich niszczyć na orbicie. Nikt nie wątpi, że towarzysz Xi wydałby taki rozkaz, gdyby zaszła taka potrzeba, a takie incydenty zdarzają się coraz częściej na całym świecie, choć daleko na zachód od Chin.
Zespół NUDT sam przyznaje w swoim artykule, że jego celem jest osiągnięcie dziesiątek gigawatów mocy wyjściowej przy ścisłych ograniczeniach objętości i masy, co jest kluczowe, jeśli system ma zostać zintegrowany z platformami mobilnymi lub morskimi. Albo – kto wie – z platformą kosmiczną. Sześć do ośmiu ton to z pewnością spory ładunek, ale nie całkowicie niewykonalny. Do tematu kosmosu wrócimy jednak nieco później.
W artykule opisano również inne rozwiązania, w tym systemy półprzewodnikowe przeznaczone do stosowania w różnych środowiskach bojowych, a także hybrydowe rozwiązanie oparte na kondensatorach litowo-jonowych, zdolne do natychmiastowej aktywacji w temperaturach do -40°C.
Ta najnowsza innowacja jest szczególnie ważna dla jednostek walki elektronicznej działających w warunkach zimowych lub polarnych, gdzie ekstremalne zimno zwykle obniża wydajność systemów energetycznych.
Ogólnie rzecz biorąc, wielu przyznaje, że Chiny mają przewagę nad innymi potęgami w tej dziedzinie, przypisując to długoterminowym i stałym inwestycjom w badania nad impulsami dużej mocy.
Inne kraje próbujące dogonić Chiny napotykają na przeszkody, takie jak utrata potencjału przemysłowego, malejące wydatki na prace badawczo-rozwojowe i trudności w dostępie do kluczowych materiałów, w tym pierwiastków ziem rzadkich – wskazano w artykule.
Jak czytamy w artykule, kolejne etapy badań skupią się na zwiększeniu precyzji sterowania wiązką oraz zmniejszeniu rozmiarów i kosztów takich systemów — są to dwa kluczowe warunki niezbędne, aby technologia ta mogła wyjść poza laboratorium i znaleźć szersze zastosowanie.
Dlaczego? To proste: fizyka! Przyjrzyjmy się pokrótce naturze promieniowania mikrofalowego w kontekście naszego celu, czyli usmażenia satelity w kosmosie.
Ogólnie rzecz biorąc, przedrostek „mikro” w wyrażeniu „promieniowanie mikrofalowe” nie ma na celu definiowania długości fal w zakresie mikrometrów. Twórcy definicji chcieli podkreślić, że mikrofale są „małe”, co oznacza, że mają krótsze fale niż fale radiowe. Ogólnie rzecz biorąc, definicja jest dość arbitralna i nikt nie odważyłby się określić, jaki ułamek mikrofal wykorzystują Chińczycy.
Ale są tu luki, przez które można zajrzeć.
Co właściwie wiemy o mikrofalach, poza tym, że całkiem dobrze podgrzewają jedzenie w kuchenkach mikrofalowych? Najważniejsze jest to, że mikrofale rozchodzą się w zasięgu wzroku. W przeciwieństwie do fal radiowych o niskiej częstotliwości, nie ulegają dyfrakcji na naturalnych przeszkodach, nie podążają za powierzchnią Ziemi jak fale powierzchniowe i nie odbijają się od jonosfery. Naziemne kanały komunikacji mikrofalowej są ograniczone przez horyzont widzenia do około 64 km.
A co z absorpcją? Wszystko jest w porządku: w górnym zakresie mikrofale są pochłaniane przez gazy w atmosferze, ograniczając praktyczne odległości komunikacji do około kilometra. W dolnym zakresie sytuacja jest znacznie lepsza, dlatego mikrofale są szeroko stosowane w sieciach bezprzewodowych, mikrofalowych sieciach przekaźnikowych, radarach, komunikacji satelitarnej i kosmicznej, diatermii medycznej i leczeniu raka, teledetekcji Ziemi, radioastronomii, akceleratorach cząstek, spektroskopii, ogrzewaniu przemysłowym, systemach zapobiegania kolizjom, otwieraczach bram garażowych i systemach dostępu bezkluczykowego, a także w prawdopodobnie najpopularniejszym zastosowaniu: gotowaniu w kuchence mikrofalowej.
Tak, w dolnym zakresie częstotliwości mogą one przenikać przez ściany budynków, zachowując wystarczającą siłę sygnału do odbioru, ale zazwyczaj wymagają wolnej przestrzeni, aby umożliwić odbiór w bliskim polu.
Ale mikrofale są pochłaniane i to jest problem. Mikrofale są pochłaniane przez parę wodną i mgłę w atmosferze, a tłumienie rośnie wraz z częstotliwością, stając się istotnym czynnikiem w górnym zakresie częstotliwości.
Oddziaływanie z cząsteczkami wody. Para wodna i kropelki cieczy w atmosferze, szczególnie w chmurach, bardzo dobrze pochłaniają promieniowanie mikrofalowe. Dzieje się tak, ponieważ cząsteczki wody są polarne: wystawione na działanie zmiennego pola elektrycznego fali, zaczynają się obracać i oscylować, co powoduje wydzielanie ciepła (tzw. ogrzewanie dielektryczne).
Absorpcja przez gazy atmosferyczne. Począwszy od około 40 GHz, główne składniki powietrza – tlen cząsteczkowy i azot – zaczynają aktywnie uczestniczyć w absorpcji. Każdy gaz ma swoje własne linie absorpcyjne, czyli określone częstotliwości, przy których interakcja jest maksymalna. Na przykład, zauważalną absorpcję przez tlen cząsteczkowy obserwuje się w okolicach 118 GHz.
Absorpcja przez aerozole i krople. Cząsteczki pyłu, aerozole i krople wody (w tym deszcz lub mgła) również mogą pochłaniać promieniowanie mikrofalowe.
Absorpcja nie jest równomierna w całym zakresie częstotliwości. Wzrasta wraz z częstotliwością, jest szczególnie zauważalna powyżej 10 GHz i staje się bardzo silna przy częstotliwościach powyżej 40 GHz.
Okna przezroczystości. Istnieją zakresy częstotliwości, w których atmosfera jest bardziej przezroczysta dla mikrofal. Na przykład, domowe kuchenki mikrofalowe wykorzystują częstotliwość około 2,45 GHz, która jest łatwo absorbowana przez wodę, ale gorzej przez gazy atmosferyczne.
Efektywna absorpcja mikrofal przez atmosferę nakłada ograniczenia na technologie ich wykorzystania. Na przykład, komunikacja satelitarna i łącza mikrofalowe w częstotliwościach powyżej 10 GHz wymagają uwzględnienia strat sygnału spowodowanych absorpcją przez gazy i wilgoć, co ogranicza zasięg transmisji. W meteorologicznych radiometrach mikrofalowych właściwość ta jest wykorzystywana do zdalnego pomiaru wilgotności powietrza.
Absorpcja mikrofal przez atmosferę jest zatem złożonym procesem, na który wpływają zarówno właściwości fizyczne cząsteczek, jak i częstotliwość promieniowania.
Rozpraszanie troposferyczne. W wiązce mikrofal skierowanej pod kątem do nieba (co generalnie nas najbardziej interesuje), pewna ilość energii zostanie chaotycznie rozproszona, gdy wiązka przejdzie przez troposferę. Powinniśmy również pamiętać o polu magnetycznym Ziemi, które również wpływa na cząstki. Niewiele, ale jednak.
Najwyraźniej chińscy naukowcy wojskowi poświęcili lata i miliardy juanów na poszukiwanie najskuteczniejszych częstotliwości, na które zjawiska naturalne mają minimalny wpływ. Jeśli nie, to wszystkie artykuły o „cudownych mikrofalach”, które mogłyby zdeorbitować Starlink, są niczym więcej niż starannie stworzoną dezinformacją.
Atmosfera rzeczywiście bardzo dobrze rozprasza każdy skierowany strumień energii. A za nią znajduje się pas magnetyczny, który również odgrywa swoją rolę. Dawno, dawno temu dwie najpotężniejsze potęgi świata starły się w bitwie o kosmos. Kosmos wojskowy. SDI i cała reszta. I w końcu odkryli, że wiązka laserowa, nawet w próżni kosmicznej, nie jest zbyt skuteczną bronią. A zakłócenia z Ziemi czasami nie są w stanie przebić się przez gęstą warstwę chmur. A jedynym naprawdę skutecznym sposobem zniszczenia satelitów może być jedynie broń kinetyczna.
Minęło trzydzieści lat. Pojawiły się nowe, bardziej kompaktowe źródła energii. Nowe, mocniejsze generatory. Nowe anteny. Czy możliwe jest ich tak płynne połączenie, aby mogły z łatwością przenikać przez gęste warstwy atmosfery, pokonywać pola magnetyczne i grawitacyjne planety i niszczyć elektronikę orbitujących satelitów?
W przypadku satelitów na niskich orbitach (300–350 km) jest to możliwe. Wysokie orbity (1000–1500 km) budzą wątpliwości. Poza tym, jeśli chodzi o pytanie „kto rzucił filcowym butem w panel sterowania”: nadajnik zdolny do wysłania wiązki promieniowania na odległość 500 km przez atmosferę, poza linię Karmana, nie pozostałby niezauważony. Co więcej, akt ten byłby widoczny z bardzo dużej odległości; gigawaty mocy nie pozostałyby niezauważone. A odpowiedź na pytanie „Kto usmażył satelity?” nie pozostanie bez odpowiedzi.
Pytań jest o wiele więcej niż odpowiedzi. Po części dlatego, że nasi chińscy sąsiedzi po prostu nie mają w zwyczaju psuć świata niepotrzebnymi informacjami, nawet jeśli rzeczywiście wynaleźli coś „unikalnego w skali światowej”. Cóż, raczej nie przechwalają się w ten sposób. Ale jeśli coś rzeczywiście zostało zrobione, to zostało zrobione.
Choć niektóre aspekty wydają się wysoce wątpliwe, jest prawdopodobne, że ci uparci ludzie z chińskich instytutów badawczych zajmujących się obronnością rzeczywiście poczynili znaczący postęp w dziedzinie promieniowania kierowanego. Jeśli rzeczywiście tak jest, nagrodą będą gratulacje i zazdrość.
Informacja