Wie Laserfeuerdüsen funktionieren

Pfau, Pfau, Pfau! Das ist der Klang der Kriegsführung in der Zukunft.

Laserwaffen haben unsere Science-Fiction-Fantasien angeheizt, seit Luke den Todesstern in die Luft gesprengt hat. Trotz der Tatsache, dass man Laser, explodierende Todesplaneten oder andere Geräusche im Vakuum des Weltraums nicht wirklich hören kann , hat es unbestreitbar etwas Großartiges, ein Ziel mit einer tödlichen Explosion hyperkonzentrierter Energie in Vergessenheit zu bringen.

Herkömmliche Waffen sind mächtig, aber schlampig. Der Abwurf einer Bombe aus einem Flugzeug eignet sich hervorragend, um eine ganze Munitionsfabrik dem Erdboden gleichzumachen oder eine strategische Brücke auszuschalten. Aber die Kriegsführung des 21. Jahrhunderts – geprägt von abtrünnigen Terrorzellen und unbemannten Drohnenangriffen – erfordert viel mehr Präzision von militärischen Waffen. Und nichts ist laserpräziser als Laser !

Jeder große amerikanische Waffenhersteller – Boeing, Lockheed Martin, Northrop Grunman – steht unter Vertrag mit der US Army, Navy und Air Force, um leistungsfähigere und kompaktere Lasersysteme zu entwickeln, die von Kriegsschiffen, Panzern und sogar Flugzeugen eingesetzt werden können.

Jahrzehntelang als Science-Fiction-Pfeifentraum abgetan, sind militärische Laser wieder in den Schlagzeilen und schlimmer denn je. Ende 2014 veröffentlichte General Atomics ein schickes Video einer explosiven Demonstration seines Laserwaffensystems (LaWS), eines Lasers in Lkw-Größe, der wie ein High-End-Teleskop aussieht. Montiert auf der USS Ponce, einem Kriegsschiff der Navy, schoss die schwenkbare Waffe geräuschlos auf Ziele, die an der Rückseite von fahrenden Schnellbooten festgeschnallt waren, und nahm dann für ein großes Finale eine unbemannte Drohne heraus.

Im März 2015 machte Lockheed Martin Schlagzeilen, als es einen 30-Kilowatt-Laser namens Advanced Test High Energy Asset (ATHENA) verwendete, um aus einer Entfernung von 1,6 Kilometern ein glühendes Loch in den Krümmer eines Pickups zu bohren [Quelle : Mosemann ].

Bei einem „Lab Day“ des Verteidigungsministeriums im Mai 2015 erklärte der Chef des Air Force Research Laboratory öffentlich das Ziel des US-Militärs, bis 2022 einen 100-Kilowatt-Laser an einem Kampfjet zu befestigen [Quelle: Freedberg ]. Das kommt einem echten X-Wing-Kämpfer diesseits von Tatooine am nächsten.

Es gab unglaubliche Durchbrüche in der Lasertechnologie, aber werden wir das Ziel für 2022 erreichen, diese bösen Jungs in Flugzeuge zu montieren?

Inhalt

1. Laser-Grundlagen
2. Erste Versuche mit Laser-Feuerdüsen
3. Neueste Entwicklungen bei laserfeuernden Jets

Laser sind Maschinen, die einen stark fokussierten Lichtstrahl und bei ausreichender Leistung intensive Hitze erzeugen können. Das Wort LASER ist ein Akronym für "Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission". Die leistungsstärksten Laser können selbst aus großer Entfernung Stahl in Sekundenschnelle durchbrennen.

In seiner Arbeit „Über die Quantentheorie der Strahlung“ von 1917 legte Albert Einstein als erster die theoretischen Grundlagen hinter Lasern fest (obwohl der Name erst in den 1960er Jahren existierte). Wenn ein Atom in einen „angeregten“ Zustand versetzt wird, steigt eines seiner Elektronen vorübergehend auf ein höheres Energieniveau. Wenn das Elektron in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehrt, wird ein Energiephoton (Lichtteilchen) emittiert, das dieser Energieänderung entspricht. Normalerweise schießt das Energiephoton in eine zufällige Richtung bei einer zufälligen Wellenlänge, aber nicht so bei Lasern [Quelle: Follows ].

Bei einem Laser ist die Emission von Photonen stark kontrolliert. Durch chemische Reaktionen, Gase oder feste Kristalle werden Atome in einer Spiegelkammer in einen angeregten Zustand gepumpt. Wenn die Elektronen in den Atomen in ihren normalen Zustand zurückkehren, setzen sie Lichtphotonen in alle Richtungen frei.

Einige dieser Photonen prallen jedoch direkt von den Spiegelflächen an beiden Enden der Kammer ab. Diese abprallenden Photonen regen mehr Atome in der Kammer an, Photonen in die gleiche Richtung zu emittieren. Nach Milliarden dieser Reaktionen ist das Ergebnis eine Lichtsäule, die mit genau derselben Wellenlänge (monochromatisch) in genau derselben Richtung schwingt – das nennt man „kohärentes“ oder Laserlicht.

Nachdem der erste Laser 1960 vom Physiker Theodore Maiman demonstriert wurde, gelangten Laser schnell in den wissenschaftlichen und kulturellen Mainstream. Heute werden Niedrigenergielaser zum Lesen von CDs und Barcodes im Lebensmittelgeschäft verwendet, während Laser mit höherer Energie von Observatorien abgestrahlt werden, um die genaue Entfernung von Planeten zu messen [Quelle: Martin ].

Der Wettlauf um die Herstellung von Laserwaffen tobt seit Jahrzehnten. Die Herausforderung bestand schon immer darin, einen Laser zu entwickeln, der stark genug ist, um über große Entfernungen enorme Hitze zu erzeugen, aber klein und stabil genug, um auf einem Schiff oder sogar einem Flugzeug montiert zu werden.

In einer landesweit im Fernsehen übertragenen Ansprache schlug Präsident Ronald Reagan am 23. März 1983 die Schaffung einer weltraumgestützten Verteidigungstechnologie vor, die russische Atomsprengköpfe mit laserstrahlenden Satelliten vom Himmel schießen würde . Von den Medien als „Star Wars“ bezeichnet, brachte die Strategic Defense Initiative (SDI) die erste ernsthafte Aufmerksamkeit auf die Entwicklung tödlicher Laser für das Militär, aber das Projekt verlor die Finanzierung, als der Kalte Krieg 1991 auftaute [Quelle: Encyclopaedia Brittanica ].

Trotz des Zischens von Star Wars haben Militärtechnologen das Vertrauen in Laser als die Killer-App (buchstäblich) der Zukunft nicht verloren. In den vergangenen 30 Jahren haben das US-Militär und amerikanische Waffenhersteller Milliarden in die Entwicklung von tödlichen Lasern investiert, die von Militärflugzeugen abgefeuert werden können.

Boeings fortschrittlicher taktischer Laser (ATL), der 2008 debütierte, war einer der ersten großen Testläufe eines Militärlasers in einem fliegenden Kriegsschiff. Der 40.000 Pfund (18.144 Kilogramm) schwere chemische Laser war kaum ein Leichtgewicht und viel zu groß, um an einem Kampfjet montiert zu werden, also stopfte ihn die Air Force in den Bauch eines C-130-Transportflugzeugs aus den 1950er Jahren [Quelle: Adams ] .

Die 200 Millionen US-Dollar ATL könnten einen 3 Zoll (10 Zentimeter) breiten Laserstrahl erzeugen, der durch Reaktionen zwischen Chlorgas und Wasserstoffperoxid angetrieben wird [Quelle: Adams ]. Die größte Herausforderung für die Boeing-Ingenieure bestand darin, ein Zielverfolgungs- und Zielsystem zu entwickeln, das sich automatisch an die konstanten Vibrationen und sich ändernden Flugkoordinaten anpassen konnte.

Während Testflügen über New Mexico hat die ATL erfolgreich ein stationäres Bodenziel gezapft und ein kleines Loch in einen fahrenden Pickup gebrannt. Da das sperrige ATL-System auf Vorräte an Bordchemikalien angewiesen war, konnte es ohne Nachladen nur sechs Mal zuverlässig abgefeuert werden [Quelle: Mick ].

Im Jahr 2010 erhielten Jet-Firing-Laser mit der Enthüllung des Airborne Laser Test Bed (ALTB) ein Upgrade. Der ALTB war auch ein chemischer Laser – das Akronym lautet COIL (chemischer Sauerstoff-Jod-Laser) – der an der Nase eines Boeing 747-Jets angebracht war. Der ALTB wurde speziell als Luft-Luft-Laser entwickelt, der feindliche Raketen vom Himmel schießen kann.

Während mehr als 200 Testmissionen hat die ALTB zwei ballistische Kurzstreckenraketen erfolgreich angegriffen und zerstört [Quelle: MDA ]. Aber das war nicht genug, um das Programm finanziert zu halten. Eine Flotte von 10 bis 20 laserbestückten Flugzeugen hätte jeweils 1,5 Milliarden Dollar gekostet, weit über dem, was das Militär bereit war, für Waffen mit relativ geringer Leistung auszugeben [Quelle: Schechter ]. Der ALTB wurde 2012 offiziell verschrottet und für Teile zerlegt [Quelle: MDA ].

Aber keine Sorge. Der Traum von laserfeuernden Jets ist noch lange nicht tot.

Trotz Lücken bei der Finanzierung von Jets zum Abfeuern von Lasern glauben die führenden Köpfe der US-Luftwaffe immer noch, dass Höhenlaser ernsthafte taktische Vorteile haben. Während bodengestützte Laser den Vorteil haben, dass sie größer und schwerer sind, können ihre Strahlen beim Durchgang durch die Atmosphäre verzerrt werden. Laser, die an Jets in großer Höhe montiert sind, können feindliche Fahrzeuge und Raketen genauer und auf größere Entfernungen durch dünnere Luft ausschalten [Quelle: Freedberg ].

Das Office of Naval Research widmet Festkörperlasern besondere Aufmerksamkeit, bei denen es sich um Waffen handelt, die elektrische Energie verwenden, um Reaktionen in festen chemischen Verbindungen anzutreiben. Festkörperlaser sind kleiner, leichter und müssen seltener betankt werden, was sie zu hervorragenden Aussichten für den Einsatz in der Luft macht [Quelle: Schechter ].

Ein funktionierender Prototyp für einen so leichten Festkörperlaser ist das Laser Weapon System (LaWS) der Marine, das derzeit auf der im Persischen Golf angedockten USS Ponce montiert ist. Der 30-Kilowatt-Laser bietet genug Hitze und Genauigkeit, um den Motor einer Drohne mitten in der Luft zu durchbrennen oder einen Granatwerfer zu explodieren, der an der Rückseite eines fahrenden Schnellboots festgeschnallt ist. Der Laser kann jedoch nicht gegen Hochgeschwindigkeitsziele wie Düsenjäger eingesetzt werden [Quelle: CBS News ].

Nach den Kosten von 40 Millionen US-Dollar für den Bau des Lasers kostet das Abfeuern der batteriegeladenen Waffe nur 0,59 US-Dollar pro Schuss an Stromkosten. Vergleichen Sie das mit den Hunderttausenden von Dollar oder sogar 1 Million Dollar, um einen aktuellen Anti-Raketen-Abfangjäger wie die Navy Standard Missile [Quelle: Freedberg ] abzufeuern.

Das Ziel des Militärs ist es, einen 100- bis 150-Kilowatt-Festkörperlaser für den Einsatz in der Luft zu entwickeln [Quelle: Freedberg ]. Der Drohnenhersteller General Atomics Aeronautical Systems behauptet, eine in Arbeit zu haben. Sein Hochenergielaser (HEL) der Generation 3, ein Festkörperlaser, der von einer Lithium-Ionen-Batterie „gepumpt“ wird , wird in der Lage sein, Strahlen mit einer Leistung von bis zu 300 Kilowatt zu erzeugen [Quelle: General Atomics ].

Die Gen 3 ist auch relativ kompakt und misst nur 4,25 Fuß mal 1,3 Fuß mal 1 Fuß (1,3 Meter mal 0,4 Meter mal 0,3 Meter). Bei dieser Größe passt die Gen 3 in das taktische Laserwaffenmodul (TLWM) von General Atomics, eine extern montierte Laserkapsel, die auf Panzern, Kriegsschiffen der Marine und Düsenflugzeugen eingesetzt werden kann [Quelle: General Atomics ].

Obwohl es keine Videos von Gen 3 in Aktion gibt – es ist geheim – sagte ein Vizepräsident von General Atomics einem US-Nachrichtenreporter, dass das Unternehmen „weit über das Töten von Booten und unbemannten Luftfahrzeugen hinausgeht“. Schluck.

Der Sound von Star Wars

Das Militär setzt bereits auf Lastwagen montierte Laser ein, die Drohnen oder Mörsergranaten automatisch abfeuern. Sie funktionieren großartig, mit nur einem Problem: Niemand kann sagen, wann sie schießen. Echte Laser sind unsichtbar und geräuschlos. Um dies zu beheben, haben Boeing-Ingenieure Laser-Soundeffekte aus „Star Wars“ und „Star Trek“ angehoben, um jedes Mal abzuspielen, wenn die Strahlen abgefeuert werden [Quelle: Atherton ]. Pew Pew Pew!

Anmerkung des Autors: Wie Laserfeuerdüsen funktionieren

Wie bei Jetpacks und fliegenden Autos bin ich immer davon ausgegangen, dass die Zukunft Laserkanonen beinhalten würde. Ich bin ermutigt/erschrocken zu erfahren, dass das Militär Laserwaffen weiterhin ernsthaft verfolgt, und ich bin zutiefst aufgeregt zu hören, dass sie „zap!“ hinzufügen. Geräusche, wenn diese Todesstrahlen abgefeuert werden. Zumindest werden Laser meist als "Verteidigungs"-Waffen angesehen, die anfliegende Raketen und Mörser abschießen, um Truppen und unschuldige Leben zu schützen. Einige Militärs interessieren sich jedoch auch für diese lautlosen, unsichtbaren Langstrecken-Laserwaffen, da sie eine „plausible Leugnung“ versprechen [Quelle: Hambling ]. Wer hat das U-Boot gesprengt? Nicht wir!

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