Fizyka w grach okiem inżyniera #9 - Lasery

W ramach serii często poruszam zagadnienia związane z różnego rodzaju uzbrojeniem czy militarystycznymi nowinkami. Zdaje się jednak, że pominąłem tę najbardziej popularną technologię tworzenia broni w grach, jak i całej popkulturze - mowa oczywiście o broni laserowej. Małe porcje energii wystrzeliwane z dużą prędkością, które idealnie sprawdzają się w każdych warunkach. Tego typu karabiny nie potrzebują zapasowej amunicji, mają praktycznie zerowy odrzut i nigdy się nie psują. Brzmi pięknie, prawda? Jak jednak będzie wyglądało to naprawdę?Laser (z ang. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation), którego rdzeniem jest ciało stałe, jak kryształ rubinu, składa się z rezonatora optycznego, będącego osłoną dla wspomnianego rdzenia, i dwóch zwierciadeł ustawionych prostopadle do osi komory. Dodatkowo, wokół całej konstrukcji nawinięta jest pompa świetlna, która stanowi źródło inwersji obsadzeń i to właśnie ona odpowiada za poprawne działanie lasera. Gdy światło uderza w atomu rubinu, elektrony znajdujące się na niższych powłokach energetycznych zaczynają przechodzić na te wyższe, emitując przy okazji foton. Owe cząstki energii zaczynają odbijać się od zwierciadeł, nabierając przy tym energii, a część z nich wydostaje się na zewnątrz przez przesłonę w jednym z luster. To właśnie jest wiązka lasera.W wielu różnych grach mamy do czynienia z bronią laserową lub energetyczną, której zasada działania nie różni się zbytnio od tej konwencjonalnej. Jedno naciśnięcie spustu, jeden pocisk, który opuszcza lufę broni. Tak jest między innymi w Far Cry: Blood Dragon, w którym Fazetron stanowi podstawową broń naszego bohatera i działa jak zwyczajny karabinek szturmowy - ma magazynek i strzela pojedynczymi pociskami. Problem w tym, że wiązki lasera nie da się podzielić na kilka części, tak by uformować z niej pojedynczy pocisk. Dlatego na przykład w Gwiezdnych Wojnach na broń mówi się “blaster”, który swoją zasadą działania bardziej przypomina karabin plazmowy, a nie typową broń laserową.Wiązka lasera to nic innego, jak spolaryzowana fala elektromagnetyczna, więc jeśli chcemy, by była ona krótka, to czas jej emisji musi być bardzo mały, nieosiągalny dla nas, ludzi. Gdy strzelamy z broni palnej, to do dyspozycji mamy zazwyczaj tryb pojedynczy, seria po trzy pociski lub ogień ciągły, wszystko zależy od preferencji strzelca i sytuacji, w jakiej się on znajduje. Ważne jest jednak to, że każdy wystrzelony pocisk jest zabójczy. W przypadku wojskowych zastosowań lasera ważna jest koncentracja wystarczającej energii wiązki, tak by jej gęstość w punkcie docelowym była jak największa.Powierzchniową gęstość energii (GE) określa kilka parametrów; czas trwania procesu musi być jak największy - im dłużej on będzie trwał, tym więcej energii dostarczymy; moc urządzenia również powinna być możliwie duża; z kolei wielkość powierzchni, w jaką uderzyć ma nasza wiązka, musi być możliwie mała. Na podstawie tych wartości określono kilka progów gęstości energii wiązki: ogrzewanie, topnienie, parowanie, ablacja laserowa, tworzenie, a następnie rozkład plazmy (tak, to warunki zbliżone do tych panujących wewnątrz słońca). Żeby jednak uzyskać taki poziom, należy doprowadzić do sytuacji, gdy wartość “GE” jest jak największa, a to możemy osiągnąć poprzez manipulację parametrami, o których pisałem wcześniej.I tu pojawia się problem, bo jeśli chcemy, by czas emisji był jak najkrótszy, to należy znacznie zwiększyć moc lasera, a co za tym idzie, jego rozmiar. Wartość mocy w małych wskaźnikach laserowych, na przykład w tych doczepianych do broni, nie przekracza 500 miliwatów. Jeśli chodzi zaś o lasery bojowe, które są rozwijane obecnie, to mówi się o ponad stu kilowatach mocy. Oczywiście mówimy tu o wielkich “działach”, które są doczepiane do samolotów lub montowane na okrętach, jak choćby na amerykańskim USS Ponce, który jako pierwszy został wyposażony w broń laserową. Tego typu broń pozwala na zestrzelenie lecącego drona lub uszkodzenie silnika samochodu z odległości około czterech kilometrów. Technologia ta sprawia jednak wiele problemów, które uniemożliwiają skuteczne stosowanie takich systemów. Główne mankamenty to duży rozmiar, waga urządzenia, jak i akumulatora/prądnicy, niezbędne do jego zasilania czy niska częstotliwość oddawania kolejnych strzałów.Jeśli na poważnie chcielibyśmy stworzyć broń laserową, która znalazłaby realne zastosowanie na polu walki, to należałoby zwiększyć moc urządzenia do miliona watów. Przy obecnej technologii bateria do takiego urządzenia ważyłaby około trzy-cztery tony, nie wspominając już o rozmiarze samego lasera. Jak to jednak w takich sytuacjach bywa, ktoś po prostu stworzył przenośny karabin laserowy nie zważając na wszystkie te mankamenty, o których pisałem wcześniej. A to, że nie jest on zbyt skuteczny, to inna sprawa.Karabin laserowy obsługiwany przez jedną osobę to również dość częsty widok w grach. W takim Mass Effect 2 jedną z broni ciężkich jest Miotacz Cząstek Zbieraczy, który wystrzeliwuje w stronę przeciwnika skoncentrowaną wiązkę energii, co pozwala na celne prowadzenie ognia nawet na dalekie odległości. Podobnie jest zresztą w Wolfenstein: The New Order, w którym dzięki LaserKraftWerk mogliśmy wycinać otwory w ścianach, co otwierało nowe możliwości eksploracji.W lipcu 2018 roku na łamach “South China Morning Post” ukazał się artykuł o karabinie laserowym ZKZM-500 opracowywanym przez Instytut Optyki i Mechaniki Precyzyjnej należącym do Chińskiej Akademii Nauk w prowincji Shaanxi. “Laserowy AK-47” (bo tak nazywana jest ta broń przez samych twórców) jest ponoć zasilany baterią litowo-jonową, która przypomina te używane w smartfonach, zaś jego waga to zaledwie trzy kilogramy. Na jednym naładowaniu może wygenerować tysiąc wiązek, trwających dwie sekundy, a jego maksymalny zasięg to osiemset metrów. Dodatkowo, wiązki są niewidoczne dla ludzkiego oka i mogą przenikać przez szyby powodując natychmiastowe zwęglenie ludzkiej tkanki. Na filmie możecie zobaczyć, że faktycznie urządzenie przypomina karabin, a wiązka podpala różne obiekty, jak papier, opony czy nawet żywą tkankę (kawałek mięsa).Głównym problemem tego typu projektów jest źródło energii, które zasilałoby całe urządzenie. W tym przypadku pobór mocy jest bardzo duży - naukowcy nie podali dokładnych wartości, ale przy zakładanej częstotliwości strzałów mówimy o około dwóch i pół tysiąca watów (odsyłam do materiału z kanału “styropyro”). Baterie litowo-jonowe nie nadają się do tego, ponieważ rozładowują się znacznie wolniej (ale za to bezpieczniej), niż na przykład akumulatory chemiczne. Załóżmy jednak, że te litowo-jonowe będą wystarczające; domowy akumulator Tesla Powerwall zapewnia pięć kilowatów mocy, więc teoretycznie powinien w zupełności wystarczyć, prawda? Prawda, tylko, że jego waga to sto dwadzieścia kilogramów.Inny problem stanowi zasięg urządzenia - wraz z odległością rośnie tłumienie wiązki lasera, na które ma wpływ promieniowanie słoneczne, gazy czy woda znajdująca się w powietrzu. Oczywiście są lasery, które mogą wystrzelić z Ziemi w kosmos i odwrotnie, jednak moc takiej wiązki będzie stanowczo za mała, żeby zrobić komuś krzywdę.I tu przechodzimy do głównego problemu wiązki lasera i jej skuteczności w zetknięciu z ludzkim ciałem. Pociski wystrzelone ze standardowej broni uszkadzają żywą tkankę poprzez penetrację ciała - średnica otworu wlotowego jest zawsze większa niż średnica samego pocisku, ponieważ przy zetknięciu z przeszkodą (czyli z nami) zmienia swoją trajektorię lotu, koziołkując wewnątrz. Jak możecie się domyślić, nie jest to dobre dla naszego zdrowia. Laser nie przebiłby ciała, tylko powoli by je podgrzewał (karbonizował), co oczywiście powodowałoby ból, ale nie byłby on śmiertelny. Do trwałego uszkodzenia ciała potrzeba odpowiednio dużo czasu, by w jednym punkcie zgromadzić wystarczająco dużo energii - albo wystarczy po prostu mieć bardzo silny laser (przypominam o gęstości powierzchniowej). Jedynym sposobem, aby uzyskać ogromne rozerwanie tkanki laserem, jest przeniesienie wystarczającej ilości energii, która podgrzeje wodę w ciele, co spowoduje eksplozję pary wodnej. Taki scenariusz jest jednak mało prawdopodobny, głównie ze względu na ograniczenia energetyczne. Poza tym konwencjonalna broń jest znacznie tańsza, niż ta laserowa - koszt jednego ZKZM-500 to około piętnastu tysięcy dolarów.Czy zatem opłaca się pracować nad karabinem laserowym, którym mógłby operować jeden człowiek? Teoretycznie nie ma projektów nieopłacalnych, bo przecież wszystko może się kiedyś przydać, ale dopóki nie opracujemy efektywniejszego źródła energii, to większość tego typu urządzeń możemy odłożyć do szuflady. Ale wiecie, jest jedno miejsce, gdzie waga nie ma aż takiego znaczenia, a wielkie lasery mogą być zasilane przez wielkie generatory. Ktoś chętny na wycieczkę poza naszą planetę?Gdy załodze Normandii w Mass Effect 2 udaje się przelecieć przez przekaźnik Omega 4, okazuje się, że docierają do starego cmentarzyska krążowników i fregat kosmicznych, które stanowi idealną zasłonę dla stacji Zbieraczy. Normandia dzięki turiańskim działkom Thanxi, zamontowanym przed misją, jest w stanie odeprzeć atak wrogich sond bojowych, a przy okazji niszczy resztki wraków, które mogłyby naruszyć stan poszycia statku.Przestrzeń wokół naszej planety nie jest oczywiście cmentarzyskiem starych statków, ale i tak można tam znaleźć dużo rzeczy. Głównie kosmiczny złom, który absolutnie nie jest nikomu do szczęścia potrzebny i tylko przeszkadza w poprawnym funkcjonowaniu Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Wiecie, te wszystkie nieaktywne już satelity, części rakiet z czasów “podboju” kosmosu czy małe kawałki asteroid, które utknęły w polu grawitacyjnym Układu Słonecznego. W 2015 roku NASA zarejestrowała około dwustu milionów takich właśnie niepożądanych elementów, całkiem szczelnie otaczających naszą planetę i poruszających się z zawrotną prędkością 28 tysięcy kilometrów na godzinę. W celu uniknięcia powtórki z filmu Grawitacja, na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej zamontowano działo laserowe.Projekt powstał przy współpracy francuskich, włoskich, japońskich i rosyjskich naukowców; dzięki staraniom tego wielokulturowego zespołu udało się 20-krotnie zmniejszyć zapotrzebowanie energii, a sam laser i cały jego osprzęt waży około pięciuset kilogramów. Laser może działać bez przerwy przez dziesięć sekund, a jego czas ładowania wynosi dwieście sekund. Cały system waży około pięciuset kilogramów. Teoretyczna moc wiązki to jakieś 100 kilowatów i nawet jeśli nie trafi ona bezpośrednio w obiekt, to energia powstała na skutek wystrzału może odepchnąć go z dala od stacji. No co, zdziwieni, że laser może odpychać przedmioty?Jedną z najbardziej irytujących umiejętności w Overwatch jest Matryca Obronna D.Vy. Dzięki niej Hana potrafi zablokować większość zdolności specjalnych innych bohaterów, co uniemożliwia skuteczne atakowanie wrogich punktów czy jadącego ładunku. Sama umiejętność przypomina przezierną tarczę, która pochłania lub odpycha wszystkie wrogie pociski w jej zasięgu. Gdy pocisk znajdzie się w zasięgu osłony, to wysyła ona specjalną wiązkę, która neutralizuje obiekt i czyni go niegroźnym. W latach 90. ubiegłego stulecia doszło do bardzo dynamicznego rozwoju metod pułapkowania atomów, a zwieńczeniem tych starań było opracowanie pułapki magneto-optycznej. Szklana komora próżniowa, zawierająca atomy rubidu, zostaje schłodzona laserami i polem elektromagnetycznym do temperatury kilku mikrokelwinów. Im atomy zimniejsze, tym wolniej się poruszają - tym sposobem z kilkuset metrów na sekundę udało się nam przejść do niecałych dziesięciu. Zjawisko to nosi nazwę Spowolnienia Zeemana i jeśli chcemy zastosować je na większych obiektach, to wystarczy zwiększyć efektywność chłodzenia laserowego, a to możemy zrobić poprzez zwiększenie mocy samego urządzenia. Znów ograniczają nas źródła zasilania, a konkretnie ich wielkość i wydajność. Rozwinięcia takiego systemu pozwoli nam jednak na ochronę przed śmieciami kosmicznymi, jak w przypadku Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Przecież kiedyś trzeba będzie w końcu dolecieć do tego mitycznego Marsa, a w kosmosie nawet mały kamyczek może rozpruć poszycie wahadłowca.I choć wydaje się, że broń laserowa ma potencjał i kiedyś może zastąpić tę “staromodną” broń palną, to jednak sądze, że nie nastąpi to zbyt szybko. Głównie ze względu na aktualne ograniczenia w kwestii źródeł zasilania, ale też skuteczności czy niezawodności - taka broń byłaby bardzo wrażliwa na wszelkie wstrząsy i zabrudzenia. Przygotowując się do tego materiału natrafiłem na oferty salonów “laser-tag”, czyli czegoś w rodzaju laserowego paintballa (bo wiecie, algorytm google, lasery, pozycjonowanie). Na razie musimy zadowolić się takimi pukawkami.