Как работают лазеры? Возможно ли сделать лазер Тони Старка?
В данной статье я постараюсь вкратце рассказать об основных принципах работы лазеров. Расскажу что такое рабочее тело, зачем нужен источник подкачки и резонатор. Зная основы мы сделаем небольшой обзор того, что имеется из лазеров на рынке и попытаемся понять, возможен ли лазер железного человека.
Каждый посмотревший фильм «железный человек» наверняка задумывался о том, как бы круто было бы полетать в костюме железного человека. Я вот до сих пор пересматриваю сцены из фильма и не могу налюбоваться.
Ричард Браунинг из Великобритании реально заморочился и за несколько лет сделал костюм, позволяющий летать пару минут:
А ребята с канала cnet собрали настоящую пуленепробиваемую титановую броню:
Это всё, конечно, забавно и прикольно, но вот оружия этому костюму явно не хватает. Без оружия он становится бесполезным (не в рукопашную же ему драться).
Можно, конечно, дать ему автомат Калашникова, но в фильме то мы видели клёвый лазер, позволяющий резать титановую обшивку космолёта:
А давайте пофантазируем на тему возможности изготовления такого мощного лазера, а то вдруг нас обманули и эти сцены Фотошоп?
Основные принципы
Чтобы понять какие ограничения по мощности могут существовать для лазера, я очень простым языком разберу основные принципы их работы. После этого вы узнаете о компонентах, необходимых для сборки любого лазера. Когда станет понятно, что такое лазер и из чего он состоит вы узнаете какие самые мощные лазеры сейчас доступны и на что они способны.
Начнем с того, что разберёмся с основными принципами работы лазера. Практически любой лазер устроен одинаково и состоит из трёх главных компонентов
1) Рабочая среда
2) Источник энергии
3) Оптический резонатор (что это такое я расскажу немного позже)
В принципе это все, что нужно для создания лазера. Давайте разберёмся с каждым из этих компонентов. А начнём с того, как формируется лазерный пучок.
Представьте, что у нас имеется некоторая среда, наполненная, например, газом. В этой среде, как и полагается летают атомы, здесь ничего необычного. У каждого атома есть некоторая своя энергия. Некоторые из них имеют немного большую энергию, а некоторые – меньшую.
Понятно, что атомов с маленькой энергией будет больше, а с большой – меньше. Об этом мы знаем из закона распределения Больцмана, который гласит, что число атомов с заданной энергией экспоненциально падает при её увеличении:
$$
N = N_<0>e^<-E/kT>
$$
Для обозначения энергии атома рисуют два уровня на которых он может находится: нижний уровень (основной) и верхний (уровень высокой энергии). Если атом имеет маленькую энергию, то его рисуют внизу, а если у атома большая энергия, то и находится на картинке он будет сверху:
Атом с высокой энергией может сделать очень полезную штуку, которая и вкладывает во всё, что я рассказываю какой-то смысл: он может испустить квант света, то есть фотон. Ведь это то, что нам, по сути, и нужно.
Происходит это примерно так: атом с высокой энергией летает себе и вдруг решает испустить квант света. То есть он как бы тратит энергию на то, чтобы отдать свет. При этом он, как и полагается, переходит на нижний уровень:
Но это происходит случайно, а ускорить процесс может другой квант света. То есть пролетающий мимо квант света может потревожить атом на высоком энергетическом уровне. При этом произойдёт примерно то же самое: атом отдаст квант света и упадёт на нижний уровень:
То есть на атом налетал один фотон, а выделилось два. При этом эти фотоны неплохо так связаны между собой.
Я имею ввиду, что они будут иметь абсолютно равные частоты, да ещё и колебаться будут в одной фазе. А значит при сложении они будут усиливать друг друга:
Это, конечно круто, и так бы и пошла эта цепная реакция, но есть одно НО: дело в том, что фотоны могут как выделяться, так и поглощаться. Представьте теперь, что на атом с маленькой энергией налетает фотон. Атом может случайно забрать его себе, повысив свою энергию и все, мы потеряли квант света в пустую:
А это плохо, ведь мы то хотим, наоборот, получить много фотонов. Самое печальное то, что вероятности поглощения и выделения кванта света примерно равны.
Для того, чтобы не допускать поглощения нужен внешний источник энергии, который будет закачивать энергию в систему и не давать процессу остановиться.
В принципе все вроде понятно. Единственное, о чем я не сказал – это резонатор.
Объясню в чем дело. Для того, чтобы появилось много фотонов можно, конечно, сделать длинную трубу с газом, но можно поступить умнее и поставить два зеркала друг напротив друга так, чтобы свет много раз пере отражался и проходил по маленькому участку газа несколько раз:
То есть резонатор нужен просто для того, чтобы сделать лазер компактным и эффективно использовать газ. На выходе получается параллельный пучок фотонов. Параллельный он потому, что все фотоны движутся с одной частотой и в одной фазе. То есть одинаково относительно друг друга.
Теперь, когда мы разобрались в основных принципах, работы лазера становится понятно, что главным ограничением на мощность выходного пучка является структура рабочего тела, используемого для порождения фотонов.
Всё дело в том, что существует ограничение на скорость излучения фотона, ведь переход атома из возбуждённого состояния в обычное длится порядка 10 нсек (то есть конечная) и для обеспечения требуемой мощности пучка фотоны могут просто не успевать появляться.
Существующие мощные лазеры
Мощность лазерной установки Nova, расположенной в Ливерморской национальной лаборатории (США) измеряется в сотнях ТВт. Этого достаточно для того, чтобы расплавить любой металл, да и вообще в принципе любое, даже самое крепкое соединение не выдержит такой мощности.
Но нас такие установки не сильно интересуют, ведь они слишком большие, дорогие и могут работать только при огромных энергиях и короткое время.
Есть более компактные военные лазеры, которые достаточно мощные для того, чтобы за доли секунды плавить металл, но это тоже не подходит опять же из-за своей громоздкости и дороговизны:
На рынке бытовых лазеров самый мощный лазер из тех, что я нашел имеет мощность в 100 000 мВт. Ну это если китайцы не обманывают. Этого достаточно для того, чтобы расплавить кусок олова.
Теплота плавления железа примерно в 5 больше, чем у олова. Условно пяти таких лазерных указок хватит на то, чтобы начать плавить железо. А это уже очень неплохо. При этом, как не удивительно общая цена будет не очень большой. Один такой стоит порядка 100 $.
Может мне собрать такой и показать вам?
Проблемой объединения нескольких лазеров является то, что пучки всех лазеров нужно фокусировать в одном месте, а иначе толку от использования нескольких лазеров нет (вот пример неграмотной конструкции):
Еще одной проблемой является то, что лазерная пушка становится громоздкой и требующей тонкой настройки (фокусировка). На руку она уже не поместится.
Возможен ли лазер, прожигающий металл?
Очевидно, что лазеров, которые умеют резать металл, очень много и они используются повсеместно в промышленности и научных исследованиях:
Лазерные установки, способные плавить металлы становятся всё меньше и меньше т.к учёные постоянно занимаются разработкой и изучением новых и более подходящих элементов. (Как мы уже поняли ранее, одним из главных ограничений является структура рабочего тела)
Чем лучше и совершеннее материалы мы будем находить и использовать, тем больших плотностей энергии мы сможем достичь, без каких бы то ни было ограничений.
Даже сегодняшних технологий, в принципе, хватает для создания лазера Тони Старка (не такого маленького, но всё же). Все упирается в цену итогового устройства. Если нужен маленький размер и огромная мощность, прям как в фильме, то цена может быть неоправданно большой даже по сравнению с бронёй и jetpack’ом.
К тому же всё усугубляет то, что лазер такой будет очень опасный и в случае сбоя или попадания в него снаряда он может взорваться, как это всегда происходит в случаях высокой концентрации энергии в маленьком пространстве.
На этом у меня сегодня всё. Буду рад вашим комментариям и поддержке 🙂
Друзья! Я очень благодарен вам за то, что вы интересуетесь моими работами, ведь каждый пост на сайте даётся очень непросто. Я буду рад любому отклику и поддержке с вашей стороны.
Источник
Лазер железного человека своими руками
Данила, ПРОСТИ НО ИНФА СОХРАНИЛАСЬ.Помимо очевидной привлекательности и харизмы Роберта Дауни-младшего в роли гениального миллиардера, ставшего супергероем, — Тони Старка — фильм от Marvel породил большой соблазн узнать, что за игрушки и устройства встроены в последнюю версию его высокотехнологичного костюма. И хотя такие нововведения, как костюм, который разворачивается из чемоданчика прямо на вашем теле, или одежда, которая всегда следует за вами, когда вы носите специальные браслеты, остаются в области научной фантастики, надежда еще есть. Большая часть того, что встроено в костюм «Железного человека» имеет аналоги в нашем мире, пусть и не такие шикарные, как в фильме.
С повышающим прочность экзоскелетом и реактивными лучами, а также роботом-помощником, стать настоящим Тони Старком будет достаточно сложно — и уж точно недешево — но не невозможно, во всяком случае.
Несмотря на то, какие классные у Тони игрушки, без источника энергии они останутся только красивыми латами. Нужно подключить маленький дуговой реактор на основе холодного термоядерного синтеза.
Технология термоядерного реактора — это основа бизнеса Stark Industries и костюма «айрон мэна». В нашем мире пока нет аналогов этой технологии (хотя разработки ведутся). Marvel.com предполагает, что технологически комиксоидный реактор уходит корнями в «токамак» — экспериментальный термоядерный реактор времен холодной войны, разработанный еще в СССР. Как и дуговой реактор, «токамак» выполнен в форме тороида, включает плазму, магнитные поля и генерирует огромное количество энергии.
Токамак гораздо крупнее, чем дуговой реактор — даже крупнее макета в Stark Industries — и до сих пор не вышел за рамки эксперимента. Но учитывая гениальность Тони в миниатюризации сложных конструкций, скорее всего, основа фантастического термоядерного реактора — именно токамак.
По словам Нила ДеГрасс Тайсона, проблема проектирования источника энергии размером с кулак не столько в генерации, сколько в хранении и потенциальных побочных эффектах. Для лучшей отдачи и минимизации ожогов, ДеГрасс Тайсон рекомендует источники питания другого типа: один из них может быть основан на контролируемой аннигиляции вещества и антивещества. Как в варп-двигателе, например.
[[video199073245_165629188]]
Перчатка с реактивным лучом — это одно из самых используемых орудий Тони Старка, но едва ли ее можно воссоздать с высокой точностью в реальном мире. Конечно, такой вариант не подходит для трепетных фанатов «Железного человека». Один из них, немец Патрик Прайб, в одном из перерывов в работе (по переработке полимеров) сделал нечто, похожее на реактивную перчатку: лазер, встроенный в руку.
Лазер, работающий на литий-ионных батареях, может и не имеет такой разрушительной силы, как перчатки «Железного человека», но причинить вред — вполне. Он излучает луч мощностью 1000 мВт, что в 200 раз сильнее, чем луч лазера, разрешенного в большинстве стран для пользования. Короче, если вы захотите поджарить своего кота, он вполне может загореться.
Не удовлетворившись проделанной работой, Приб пошел дальше и создал то, что он назвал «функциональной лазерной перчаткой железного человека», укомплектовав ее выдвигающимся лазером.
Согласно легенде о «Железном человеке», герой может летать благодаря мощным струям энергии, бьющим из стоп его обуви. Они перемещают его по воздуху, без опасности самовозгорания ног и без необходимости носить высокие каблуки, которые сделали бы героя похожим на представителя глэм-рока. Однако в нашем мире нет никаких струйных сапог, которые помогут вам взлететь, зато есть кое-что другое: личный джетпак. Реактивный ранец.
Персональные джетпаки появились уже давно. Первый образец появился в 1919 году в России, его создателем стал изобретатель Александр Федорович Андреев, но только в 1960 году первый джетпак был представлен публике. К сожалению, высокая стоимость и небольшое время в полете означало, что ажиотаж вокруг изобретения быстро исчезнет.
Данила, Так. Рассмотрим по частям.
Костюм. Можно использовать хром-кобальт-молибденовые сплавы. Твердые, можно отливать тонкие и точные детали.
Что бы сделать их более подвижными, можно использовать эластичные нанотрубки.
С костюмом еще более менее.
Оружие.
Лазерное оружие в принципе подойдет, кроме одного «но».
Аналогичная лазерная установка приблизительно такой же мощности как у Железного человека будет «немного» больше. В руке не поместиться. Советские разработки были размером с дом. Зарубежные современные установки меньше, но человек не унесет. Тем более питание. О нем отдельно.
Источник питания.
Холодний ядерный синтез, описанный в фильме, до сих пор не имеет практического применения. Ни о каком использование в костюме и речи нет.
Плазменный синтез никто и не будет использовать, так как он просто расплавит костюм.
Других мощный и компактных источников энергии нет пока.
Полет.
Здесь та же ситуация, что и с оружием, плюс топливо. Персональный ракетный ранец летает не больше 30 секунд, и за спиной у оператора 2 баллона с перекисью водорода — довольно дорогой штукой.
Автоматизированная система управления.
Такой аппаратуры даже на передовых истребителях нет. И уж точно она не поместится в шлеме.
Все координируется со спутником и диспетчером(на земле).
Вывод. Не жди костюма еще лет 10.
Как говорил Тони во второй части. «Другим разрабатывать еще лет 10. Хаммер Индастриз — 20.
Данила, Как-то раз, спасая мир, Iron Man врезался прямиком в наш офис. И пока он кадрил нашу секретаршу и выпивал наше пиво, мы немного поковырялись в его футуристических доспехах, чтобы понять, можно ли создать нечто подобное в реальном мире.
Если ты вдруг не знаешь, кто такой Железный Человек, – поясняем. Это один из немногих комиксовых супергероев, у которого нет никаких сверхспособностей… ну, кроме огромного либидо разве что. Вместо этого он построил себе киберкостюм напичканный всяческой техникой до последней гайки. И посмотрев вышедшие давно фильм про него, мы посоветовались с различными физиками, чтобы узнать, как скор можно будет сделать нечто подобное.
Голова – всему голова. Кибернетический шлем
Это единственная часть Железного Человека, которая маячит перед человечеством в ближайшем будущем. Более того, разработки такого гаджета активно ведутся уже сейчас, и дают положительные результаты. Правда, эти исследования ведутся не с целью поставить на массовый конвейер механизированные костюмы супергероев, а чтобы облегчить жизнь парализованным людям. Дело в том, что шлем Тони Старка слушался как голосовых команд, так и… читал мысли. Но это вполне реально! Ученый Бин Хе из Департамента биомедицинского инжиниринга университета Миннесоты уже создал подобный аппарат, который считывает нейросигналы головного мозга с помощью прибора с ужасным названием «электроэнцифалограф» Причем считываются, в том числе и сигналы, отвечающие за управление моторно-двигательным аппаратом человека. Короче говоря, осталось только научить шлем наводить порчу и снимать сглаз – читать мысли он уже умеет.
Приручить огонь. Пульсаторы
Специальными устройствами, встроенными в ладони скафандра. Тони Старк (он же Железный Человек) мог не только корригировать полет, но и обстреливать неприятеля. Беда заключается в том, что если даже предположить, что костюм Тони может перерабатывать энергию для работы этих пульсаторов с КПД в 100 % (что физически невозможно), то он снова сталкивается с проблемой энергопитания. Ведь чтобы такими пульсаторами сделать дырку в железном листе толщиной 1 см. ему понадобится примерно 2 ГВт энергии. А это немного больше, чем производит средних размеров АЭС. Так что в обозримом будущем можно про такую радость забыть.
В ногах правды нет. Реактивные ботинки
Причина того, что по утрам и вечерам мы стоим в пробках, а не летаем на работу, извергая огонь из подошв, до безобразия банальна и заключается вовсе не в технологиях, а в энергии. На самом деле, ученые уже создали сравнительно небольшие персональные гаджеты. способные оторвать тебя от земли, поднять на определенную высоту – короче говоря, подарить тебе небо. Проблема заключается в том, что пары пальчиковых батареек точно не хватит, чтобы намотать несколько кругов вокруг Земли. Необходимо упаковать в костюм чрезвычайно мощный генератор и колоссальное количество топлива, чтобы обеспечить продолжительный полет, а это сделает его чересчур тяжелым и габаритным. Так что с учетом размеров костюма Железного Человека – максимум, на что он может рассчитывать, это полторы минуты чистого полета, и ни копейкой больше.
Semen Stack
Источник: pc-news.info
Теги: изобретения, фильмы, человек
Автор: admin
Все статьи автора admin >
Источник
