Του Γιώργου Λώλου, επίτιμου καθηγητή πυρηνικής και σωματιδιακής φυσικής, University of Regina, Καναδά
Η θεωρητική βάση του λέιζερ πάει πολύ πίσω, στις αρχές της δεκαετίας του 1950 όταν η πρόταση για την δημιουργία συμφασικής εκπομπής μικροκυμάτων, που ονομάστηκαν μέιζερ (maser), δημοσιεύθηκε το 1952. Ο όρος “συμφασική” εκπομπή ακτινοβολίας σημαίνει ότι τα κύματα στην δέσμη, ανεξαρτήτως της συχνότητας του κύματος, έχουν όλα την ίδια φάση. Λεπτομερέστερη εξήγηση θα δοθεί στο επόμενο τμήμα για το λέιζερ. Το πρώτο μέιζερ δημιουργήθηκε το 1953 και το 1964 το βραβείο Νόμπελ απονεμήθηκε στους Townes, Basov και Prokhorov. Ο Townes ήταν ο πειραματικός φυσικός που έκανε την θεωρία πράξη ενώ οι Basov and Prokhorov ήταν οι θεωρητικοί που έβαλαν την βάση της Φυσικής για το μέϊζερ. Η ιδέα ήταν θεμελιώδης διότι άνοιξε την πόρτα για τα οπτικά μέιζερ που σήμερα γνωρίζουμε ως λέιζερ. Ήταν, μάλιστα, ο Townes ένας από τους επιστήμονες που περιέγραψαν την βάση της Φυσικής για οπτικά μέιζερ (λέιζερ). Το λέιζερ έκανε την πρώτη του εμφάνιση στο εργαστήριο του Theodore H. Maiman το 1960.
Μἐιζερ χρησιμοποιούνται σε ατομικά ρολόγια και ως εξαιρετικά χαμηλού θορύβου ενισχυτές σε ραδιοτηλεσκόπια, αποφεύγοντας τον θερμικό θόρυβο των ενισχυτών στερεάς κατάστασης. Λόγω, ακριβώς του χαμηλού ηλεκτρονικού θορύβου, χρησιμοποιούνται και για τις επικοινωνίες από σταθμούς εδάφους με ερευνητικά διαστημόπλοια σε αστρονομικές αποστάσεις.
Α. Λέιζερ
1. Περί μηχανισμών παραγωγής φωτός
Όταν ηλεκτρικό ρεύμα ρέει μέσα από το σύρμα μιας λυχνίας πυρακτώσεως, η αντίστασης, λόγω του νόμου του Ohm, μετατρέπει ένα μέρος της ενέργειας του ηλεκτρικού πεδίου σε αύξηση της θερμικής ενέργειας του σύρματος, κάτι ανάλογο ως απώλεια λόγω τριβής στην μηχανική. Η απώλεια μεταφέρεται στα ηλεκτρόνια των ατόμων του μετάλλου ώστε να ανέλθουν σε τροχιές με υψηλότερη ενέργεια. Έχουμε, δηλαδή, διέγερση σε κβαντική κατάσταση, η οποία όμως είναι ασταθής και ένα ηλεκτρόνιο από αυτήν την κβαντική τροχιά (με καθορισμένους κβαντικούς αριθμούς), μεταπίπτει στην αρχική θέση, με την εκπομπή φωτονίου. Έτσι εκπέμπει φως ο λαμπτήρας. Επειδή, όμως, μόνον ένα ποσοστό από την απώλεια ηλεκτρικού δυναμικού καλύπτει τις καθορισμένες κβαντικές ενεργειακές δομές των ατόμων στο ορατό φάσμα, τέτοιοι λαμπτήρες δεν είναι αποδοτικοί σε ορατό φως (5% – 10%) γιατί καταναλώνουν ηλεκτρική ενέργεια που εκπέμπεται πρωτίστως ως θερμότητα (90% – 95% στο υπέρυθρο φάσμα, που δεν είναι ορατό). Επίσης τα φωτόνια καλύπτουν όλο το ορατό φάσμα (όχι μια ορισμένη συχνότητα) και το φως είναι λευκό.
Η διέγερση και η ακόλουθη εκπομπή φωτονίων από δισεκατομμύρια άτομα είναι τυχαία και χωρίς καμία συνοχή μεταξύ των ηλεκτρονίων. Το κάθε ηλεκτρόνιο που εκπέμπει στο οπτικό φάσμα μόνο τυχαία μπορεί να βρεθεί στην ίδια φάση με ένα άλλο. Επίσης, τα φωτόνια εκπέμπονται με την ίδια ένταση σε όλον τον χώρο και η ένταση σε μια ορισμένη στερεά γωνία είναι μόνον ένα κλάσμα της ολικής ροής ενέργειας από την λάμπα. Στην Εικόνα 1 είναι μια αναπαράσταση δυο κυμάτων που έχουν την ίδια φάση στη (α) και δυο που είναι εκτός φάσης στην (β).
Στην περίπτωση μιας λυχνίας LED, τίποτα από τα ανωτέρω δεν ισχύει. Εδώ, η κατανάλωση ηλεκτρικού δυναμικού, με την ταυτόχρονη διέγερση ηλεκτρονίων στο σύνολο των επιτρεπόμενων κβαντικών αριθμών που ικανοποιούνται από το ηλεκτρικό δυναμικό (μερικών βολτ), είναι περιορισμένη σε ένα μοναδικό κβαντικό αριθμό που καθορίζει την ενέργεια απορρόφησης και εκπομπής. Δηλαδή, η ενέργεια όλων των κυμάτων που θα εκπέμψει η LED θα είναι μοναδική. Στο ορατό φάσμα, θα έχει μόνον ένα χρώμα. Όταν ηλεκτρικό ρεύμα περνάει μέσα από έναν ημιαγωγό παράγει φως με έναν μηχανισμό που λέγεται ηλεκτροφωταύγεια (electroluminescence). Αντί τα ηλεκτρόνια να απορροφούν ενέργεια με ακόλουθη διέγερση, «καταπέφτουν» στην ενεργειακή κλίμακα ώστε να «γεμίσουν» κενές ενεργειακές θέσεις, που ιστορικά έχουν ονομαστεί ως «οπές». Η ενέργεια από την «επανένωση» ηλεκτρονίων με τις οπές, εκπέμπεται ως ηλεκτρομαγνητικό κύμα στο οπτικό φάσμα. Μια απλοποιημένη λειτουργία παρουσιάζεται στην Εικόνα 2.
Το υλικό του ημιαγωγού χωρίζεται σε δυο στρώματα, n και p. Aυτά τα δύο στρώματα είναι με στοιχεία που έχουν ενσωματωθεί (doping) στο υλικό του ημιαγωγού (π.χ. Πυρίτιο) και τα οποία έχουν: πέντε ηλεκτρόνια στην εξωτερική τροχιά (valence electrons), όπως ο Φωσφόρος, και είναι δότες ηλεκτρονίων (στρώμα n), ενώ το στρώμα p αποτελείται από στοιχεία με τρία ηλεκτρόνια, όπως Βόριο ή Γάλλιο. Ο Φωσφόρος χρειάζεται τέσσερα ηλεκτρόνια για να συμπληρώσει την θέση του στην μεταλλική δομή και έτσι ένα ηλεκτρόνιο είναι ελεύθερο. Το αντίθετο συμβαίνει με το Βόριο ή Γάλλιο. Η διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού μεταξύ των δύο στρωμάτων εμποδίζει την ροή ηλεκτρονίων, εκτός αν εξωτερικό δυναμικό (όπως δείχνει η Εικόνα 2) συνδεθεί και επιτρέψει το ρεύμα από το στρώμα n στο p. Το ενεργειακό φράγμα μεταξύ των δύο στρωμάτων είναι χαρακτηριστικό και ορισμένο για τον συνδυασμό των υλικών του ημιαγωγού και ως αποτέλεσμα η ενέργεια των φωτονίων είναι καθορισμένη. Συνδυασμός διαφορετικών υλικών χρειάζεται για διαφορετικά χρώματα εκπομπής από LED.
Το φως, λοιπόν, που εκπέμπει μια λυχνία LED είναι μονοχρωματικό αλλά δεν είναι συμφασικό διότι η πτώση των ηλεκτρονίων στις οπές και η εκπομπή των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων είναι χαώδης, με την έννοια ότι είναι ένα στατιστικό φαινόμενο. Όπως και με την κοινή λυχνία, η ενέργεια εκπέμπεται σε όλον τον χώρο. Αυτό φαίνεται στην Εικόνα 3 που γίνεται σύγκρισης μεταξύ λυχνίας πυρακτώσεως, LED και Λέιζερ. Μόνο το Λέιζερ δημιουργεί ηλεκτρομαγνητική ενέργεια που είναι συμφασική, μονοχρωματική και σε στενή δέσμη.
2. Βάσεις της φυσικής του Λέιζερ
Το λέιζερ στα αγγλικά προέρχεται από τα αρχικά του “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”. Στα Ελληνικά μεταφράζεται ως “Ενίσχυση Φωτός με Εξαναγκασμένη Εκπομπή Ακτινοβολίας“. Η μετάφρασης δεν είναι ιδιαίτερα ακριβής αλλά έτσι έχει εμπεδωθεί.
Όταν ένα φωτόνιο με ενέργεια ίση με την διαφορά ενέργειας μεταξύ δύο κβαντικών καταστάσεων (τροχιές ηλεκτρονίων στο άτομο), εισέλθει στο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο του ατόμου, μπορεί να απορροφηθεί από ένα ηλεκτρόνιο και να γίνει διέγερση στην τροχιά με υψηλότερη ενέργεια, όπως φαίνεται στην Εικόνα 4α. Κατόπιν, όμως, ένα ηλεκτρόνιο από αυτήν την ενεργειακή κατάσταση θα μεταπέσει στην αρχική κβαντική κατάσταση, με την εκπομπή ενός φωτονίου με ενέργεια ίση με την αρχική, όπως φαίνεται στην Εικόνα 4β. Δηλαδή, απορρόφηση και εκπομπή φωτονίων σε ένα άτομο είναι ο ίδιος μηχανισμός στην Φυσική, μια αρχή που πρώτα διατυπώθηκε από τον Einstein, όταν η κβαντική φυσική ήταν ακόμη στην γέννηση της. Αυτή η φυσική διαδικασία απορρόφησης και εκπομπής φωτονίων λέγεται αυθόρμητη απορρόφηση και εκπομπή, αντίστοιχα.
Για την δημιουργία λέιζερ αυτός ο μηχανισμός δεν είναι κατάλληλος γιατί ο αριθμός φωτονίων παραμένει αμετάβλητος και επομένως δεν δημιουργείται η αύξηση του αριθμού που απαιτεί το λέιζερ. Όταν ένα φωτόνιο με ορισμένη ενέργεια αντιδρά με ένα ηλεκτρόνιο στο άτομο, που είναι ήδη σε διεγερμένη κατάσταση με ενέργεια ίση με αυτήν του εισερχόμενου φωτονίου, μπορεί να μεταπέσει με εκπομπή φωτονίου με ακριβώς την ίδια ενέργεια, φάση και κατεύθυνση με αυτή του αρχικού φωτονίου, όπως φαίνεται στην Εικόνα 4γ, χωρίς όμως την απώλεια του αρχικού φωτονίου! Αυτός ο μηχανισμός είναι η βάση για την δημιουργία του λέιζερ γιατί δημιουργεί μια αλυσιδωτή αντίδραση πολλαπλασιασμού των φωτονίων όλα αντίγραφα του αρχικού. Αυτός ο μηχανισμός λέγεται «Ενίσχυση Φωτός με Εξαναγκασμένη Εκπομπή Ακτινοβολίας».
Η αύξησης του αριθμού των φωτονίων λόγω της Εξαναγκασμένης Εκπομπής Φωτονίων από μόνη της δεν είναι αρκετή και εδώ έχει αντιγραφεί η τεχνική της κοιλότητας συντονισμού (resonant cavity), από την θερμοδυναμική και τις τεχνικές μικροκυμάτων, όπως φαίνεται γραφικά στην Εικόνα 5. Η αλυσιδωτή αύξηση του πληθυσμού των φωτονίων εγκλωβίζεται μεταξύ δυο καθρεπτών, ο ένας με δείκτη αντανακλάσεως η= 99,9% ενώ ο άλλος, στην άλλη άκρη, που γίνεται η εκπομπή του λέιζερ, έχει η=99%. Οι συνεχείς αντανακλάσεις μεταξύ των δύο καθρεπτών επιτρέπουν την αύξηση των φωτονίων και έτσι την ένταση της δέσμης. Το μήκος μεταξύ καθρεπτών καθορίζει την συχνότητα των παλμών που εκπέμπει η οπτική κοιλότητα συντονισμού.
Είναι φανερό ότι για να λειτουργήσει η εξαναγκασμένη εκπομπή είναι αναγκαίο τα άτομα να έχουν ήδη ηλεκτρόνια σε διεγερμένη θέση. Η φύση είναι παρά πολύ φειδωλή και ηλεκτρόνια δεν ανεβαίνουν σε ενεργειακή κατάσταση από μόνα τους, άρα πρέπει να διεγερθούν από εξωτερική πηγή. Όταν ο αριθμός των ηλεκτρονίων σε ενεργειακά υψηλότερη κατάσταση υπερβαίνει τον αριθμό σε χαμηλότερο επίπεδο, το φαινόμενο καλείται αντιστροφή πληθυσμών (population inversion). Χωρίς να μπούμε σε λεπτομέρειες της κβαντομηχανικής, αντιστροφή πληθυσμών μπορεί να γίνει με Οπτικά μέσα, με Ηλεκτρική μεταφορά ενέργειας, με μεταφορά Θερμότητας, με Ανελαστικές Ατομικές συγκρούσεις ακόμη και με Χημικές αντιδράσεις. Μια τέτοια τεχνική, με Οπτική Αντλία (Optical Pumping), παρουσιάζεται στην Εικόνα 6 όπου η ενέργεια μεταδίδεται από ένα σωλήνα φθορισμού που περιβάλει ένα λέιζερ ρουμπινιού. Λέιζερ LED ακολουθούν τον ίδιο μηχανισμό με βάση όμως τον μηχανισμό στην Εικόνα 2.
Ένα λέιζερ βέβαια έχει και άλλα στοιχεία όπως φακούς για εστίαση και διαχείριση της ακτίνας, αλλά τα ανωτέρω εξηγούν τις αρχές και χαρακτηριστικά των λέιζερ. Το κύριο συστατικό (βάσης) των λέιζερ μπορεί να είναι στερεά, υγρά ή αέρια.
3. Λέιζερ οπλικά συστήματα
Ισχύς των λέιζερ σε υπηρεσία και υπό ανάπτυξη: Η ισχύς σε τέτοια συστήματα σε πλοία και οχήματα είναι στην κατηγορία 10 kW με 150 kW, αλλά αυτά στην 30 kW με 50 kW κατηγορία είναι πιο διαδεδομένα μέχρι σήμερα.
Μήκος κύματος: Η υπέρυθρη ακτινοβολία είναι αυτή που «ταυτἰζεται» με θερμότητα. Για λέιζερ οπλικά συστήματα είναι το φυσικό μήκος κύματος και για άλλους λόγους που έχουν να κάνουν με την ανθεκτικότητα σε περιβαλλοντικές συνθήκες. Μήκη κύματος στην τάξη των 1,064 nm και 1,315 nm είναι δυο που έχουν βρει ευρεία χρήση εναντίον εναέριων απειλών.
Τα Πλεονεκτήματα ενός Λέιζερ ως όπλο: Η ταχύτητα της ακτίνας (ταχύτης του φωτός 300 εκατομμύρια m/s), η ευθεία τροχιά προς στον στόχο, το μικρό κόστος ανά «βολή» και η συνεχής διαθεσιμότητα, όσο παρέχεται ηλεκτρική ενέργεια, αποτελούν τα ουσιαστικά πλεονεκτήματα. Το τελευταίο απαιτεί και επαρκή υποδομή ψύξης. Εξυπακούεται, βέβαια, ότι το λέιζερ είναι τοποθετημένο και υποστηριζόμενο από όλα τα συστήματα ενός κλασικού οπλικού συστήματος, δηλαδή ικανότητα ανιχνεύσεως στόχων, παρακολούθηση κινούμενου στόχου και εμπλοκή με σταθερό σημείο φώτισης της δέσμης στον στόχο. Ακόμη δεν έχουν ανάκρουση, οπότε τα οχήματα που φέρουν τα λέιζερ δεν έχουν δομικά και συναφή προβλήματα σταθερότητας. Εκ πρώτης όψεως φαίνεται να είναι το ιδεώδες αντίδοτο σε πυραύλους, μη επανδρωμένα και παρόμοια οπλικά συστήματα. Αλλά δεν είναι όλα τα σενάρια απαραιτήτως ρόδινα.
Τα υπαρκτά προβλήματα: Τα λέιζερ, όμως, ως εναλλακτική κλασικών αμυντικών όπλων, όπως τα πυροβόλα με σύγχρονα και αποτελεσματικά πυρομαχικά, έχουν και σοβαρά μειονεκτήματα και περιορισμούς, ακριβώς λόγω της φύσεως, που τα κάνει τόσο αποτελεσματικά κάτω από ορισμένες συνθήκες. Σκόνη, ομίχλη, βροχή, καπνός ακόμη και θερμική αχλύς προκαλούν σκέδαση και μειώνουν την ισχύ και ακτίνα δράσης τους. Αυτό έχει ως άμεση επίπτωση την αύξηση του χρόνου στόχευσης μέχρι την εξουδετέρωση του στόχου, ένα πρόβλημα που είναι ήδη ένα θέμα.
Έστω και για συστήματα στην 30 με 50 kW, η παροχή ενέργειας απαιτεί υποστηρικτικά για τροφοδοσία και ψύξη που είναι ογκώδη και βαριά. Η συνεχείς παροχή ενέργειας δεν σημαίνει απαραιτήτως ότι το όπλο μπορεί να είναι σε εμπλοκή συνεχώς διότι θα πρέπει να σταματήσει για “ψύξη”. Τέλος, πρέπει να δούμε πόσο χρόνο χρειάζεται για την καταστροφή του στόχου. Το λέιζερ καταστρέφει έναν στόχο “καίγοντας” τον. Οι αισθητήρες στον κώνο ενός πυραύλου ή αντιπλοϊκού, είναι ευαίσθητοι και έτσι ο στόχος μπορεί να τυφλωθεί. Το καύσιμο και τα εκρηκτικά μπορούν επίσης να εκραγούν από την θερμοκρασία που θα ανεβάσει στο σώμα το λέιζερ. Ας κάνουμε έναν πρόχειρο υπολογισμό, με τους αριθμούς στον υπολογισμό σε παρένθεση.
Q = PΔt = mcΔT (1)
- Q = Μεταφορά ενέργειας (ως θερμότητα) από το λέιζερ στον στόχο.
- P = Ισχύς του λέιζερ σε W (50 kW)
- m = Mάζα στόχου σε kg (1 kg)
- ΔT= Από 20ο C σε 520ο C (500 Κ)
- Δt = Χρόνος για άνοδο θερμοκρασίας στόχου σε δευτερόλεπτα
- c = Ειδική Θερμοχωρητικότητα στόχου σε J/(kg.K) (1000 J/(kg.K))
Η ειδική θερμοχωρητικότητα εδώ είναι ο μέσος όρος για συνθετικά υλικά που χρησιμοποιούνται σε τέτοιες οπλικές εφαρμογές. Με αυτούς τους αριθμούς θα χρειαστούν 10 δευτερόλεπτα για να ανεβάσει την θερμοκρασία ενός στόχου μάζας 1 kg κατά 500ο C! Για να είμαστε δίκαιοι, δεν είναι απαραίτητο όλη η μάζα να φτάσει στους 500C καθώς η δέσμη συγκεντρώνεται σε ένα μικρό σημείο, αλλά είναι ενδεικτικό του παράγοντα χρόνου. Γενικά, για μικρά drones χρειάζονται τουλάχιστον δύο με τρία δευτερόλεπτα για λέιζερ με ισχύ 30 kW με 50 kW. Για αντιπλοϊκούς πυραύλους χρειάζεται ισχύς άνω των 100 kW για καταστροφή σε λογικό χρονικό διάστημα. Αυτές οι υποθέσεις είναι για 100% απόδοση της ισχύος του λέιζερ χωρίς απώλειες από την γεννήτρια μέχρι τον στόχο και χωρίς μείωση της εστίασης στον στόχο! Όσο υψηλότερη είναι η απαραίτητη θερμοκρασία για καταστροφή, αυξάνεται όχι μόνον ο χρόνος καταύγασης γραμμικά, αλλά και η δυσκολία να παραμείνει η εστίασης στο ίδιο σημείο με την ίδια ένταση.
Εδώ είναι το πρόβλημα των λέιζερ ως άμυνα εναντίον εναέριων στόχων. Ενα πολεμικό πλοίο, ως παράδειγμα, με ένα λέιζερ στην κατηγορία των 150 kW, τι πιθανότητα επιβίωσης θα έχει έναντι τεσσάρων αντιπλοϊκών με ταχύτητα σχεδόν ίση με αυτήν του ήχου και από διαφορετικές κατευθύνσεις; Η απάντηση είναι “όχι καλή”. Ακόμη, ενα λέιζερ150 kW που χρειάζεται έστω και 0,5 δευτερόλεπτα ανά μικρό drone για να το αντιμετωπίσεωι, όταν έχει να αντιμετωπίσει 50 drones από διάφορες κατευθύνσεις, τότε το πλοίο θα υποστεί χτύπημα.
Έτσι δεν υπάρχει αμφιβολία ότι ισχυρά λέιζερ για άμυνα πολύτιμων υποδομών ή πλοίων μπορούν να συμβάλουν αποτελεσματικά, αλλά ως συμπληρωματικά κλασικών επιλογών σε ένα αμυντικό πακέτο που να έχει ελπίδες εναντίον επιθέσεων κορεσμού. Αόρατα αεροσκάφη, αόρατα υποβρύχια και υπερόπλα, που τόσο συχνά αναφέρονται από ΜΜΕ δεν υπάρχουν. Όλα έχουν πλεονεκτήματα και περιορισμούς.
Β. Όπλα μικροκυμάτων υψηλής ισχύος
1. Περί μηχανισμών παραγωγής μικροκυμάτων
Το αστείο μεταξύ φυσικών είναι ότι “ο Κύριος δημιούργησε το Φως αλλά ο Maxwell έδωσε την εξήγηση” με τις τέσσερις θεμελιώδεις διαφορικές εξισώσεις το 1865 που, όχι μόνον προέβλεψε την ύπαρξη τους, αλλά και τις έβαλε σε μορφή που επιτρέπει λεπτομερείς υπολογισμούς. Θεωρείται μία από τις μεγαλύτερες προόδους της Φυσικής. Ήταν ο Hertz to 1888 που ανακάλυψε πρώτος την ύπαρξη τους, εξ ου και η μονάδα συχνότητας που έλαβε το όνομα του. Ήταν όμως ο Β’ Παγκόσμιος Πόλεμος με την εντατική έρευνα για ραντάρ που οδήγησε στις νέες τεχνικές, όπως το Magnetron, μια συσκευή που μετατρέπει ηλεκτρική ενέργεια σε ηλεκτρομαγνητική (ΗΜ).
Τα μέρη ενός Magnetron είναι: Μια θερμαινόμενη Κάθοδος, συνήθως από βολφράμιο που μπορεί να αντέξει πολύ υψηλές θερμοκρασίες, που εκπέμπει ηλεκτρόνια (θερμικός ιονισμός). Η κάθοδος είναι στο κέντρο μίας δακτυλιοειδούς Ανόδου που είναι συνδεδεμένη με την κάθοδο μέσω ενός υψηλού δυναμικού. Η κάθοδος είναι με αρνητικό δυναμικό ενώ η άνοδος με θετικό. Υπό την επήρεια του ηλεκτρικού πεδίου τα ηλεκτρόνια κινούνται προς την άνοδο, δημιουργώντας έτσι ηλεκτρικό ρεύμα, δηλαδή ΗΜ πεδίο. Το όλο σύστημα είναι μέσα σε ένα χάλκινο σωλήνα κενού που περιλαμβάνει μαγνήτες κυκλικά γύρω από το σύστημα ανόδου-καθόδου και λειτουργεί και ως κοιλότητα συντονισμού. Το μαγνητικό πεδίο αναγκάζει τα ηλεκτρόνια σε ελικοειδή ή κυκλική τροχιά από την κάθοδο στην άνοδο. Όταν ένα ηλεκτρόνιο επιταχύνεται εκπέμπει ενέργεια υπό την μορφή ΗΜ κυμάτων. Η ενέργεια (συχνότητα) της ακτινοβολίας καθορίζεται πρωτίστως από το μέγεθος και σχήμα της κοιλότητας συντονισμού, που μπορεί να είναι και η ίδια η άνοδος. Η ένταση καθορίζεται από την ισχύ του ηλεκτρικού πεδίου μεταξύ ανόδου και καθόδου και της θερμοκρασίας της καθόδου. Η Εικόνα 7 δείχνει σχηματικά ένα Magnetron με το κύριο σώμα του και την άνοδο που χρησιμεύει και ως κοιλότητα συντονισμού.
Το φάσμα συχνοτήτων που καλύπτουν οι συχνότητες μικροκυμάτων Υψηλής Ισχύος είναι μεταξύ 1 GHz και 300 GHz, όμως το Αμερικανικό Υπουργείο Αμύνης χρησιμοποιεί το 1 GHz με 100 GHz μέρος του φάσματος. Η ισχύς είναι μεγαλύτερη από 100 ΜW. Αν και το Magnetron είναι η κλασική πρόταση για την δημιουργία μικροκυμάτων και RF, έχει αναπτυχθεί και η αντίστοιχη τεχνολογία με γεννήτριες στερεάς καταστάσεως, ιδίως για μικρότερης ισχύος και όγκου/βάρους συστημάτων. Έχουν αναπτυχθεί επίσης και άλλες συσκευές παραγωγής μικροκυμάτων Υψηλής Ισχύος αλλά το Magnetron είναι ένα καλό παράδειγμα για την κατανόηση παραγωγής μικροκυμάτων.
2 .Οπλικά συστήματα μικροκυμάτων υψηλής ισχύος
Ένας ισχυρός ηλεκτρομαγνητικός παλμός ως αποτέλεσμα εκπομπής ΗΜ ενέργειας δημιουργεί επαγωγικά ρεύματα σε ηλεκτρικά κυκλώματα, ημιαγωγούς και γενικά σε όλα τα ευαίσθητα μέρη σύγχρονων ψηφιακών ηλεκτρονικών. Τα επαγωγικά ρεύματα, αναλόγως της ισχύος του ΗΜ παλμού, μπορούν να υπερβαίνουν σημαντικά αυτών των συνήθως χαμηλών ρευμάτων στα ηλεκτρονικά των αισθητήρων και μονάδων επικοινωνίας των drones. Ως αποτέλεσμα, κυκλώματα καταστρέφονται, αισθητήρες τυφλώνονται και ακόμη και η διαχείρισης κινήσεως αχρηστεύεται. Έτσι βλέπουμε drones να πέφτουν σαν πέτρες κάτω από τον βομβαρδισμό υψηλής ισχύος μικροκυμάτων. Εν αντιθέσει, όμως, με την Εξίσωση 1 με την οποίαν υπολογισμοί μπορούν να γίνουν σχετικά εύκολα, στην περίπτωση των μικροκυμάτων δεν είναι δυνατόν να δωθεί μια γενική εξίσωσης λόγω των πολλών μεταβλητών για κάθε ειδική περίπτωση. Μια γενική και απλοποιημένη σχέσης, ως αποτέλεσμα των νόμων του Ohm και Faraday, δίνεται στην Συσχέτιση 2:
Όπου:
Ι∝P Πυκνότητα × Α Αντίδρασης (2)
- Ι = Το επαγωγικό ρεύμα στα αγώγιμα σύρματα και ημιαγωγούς του στόχου.
- P Πυκνότητα είναι η “επιφανειακή πυκνότητα” ισχύος της ροής μικροκυμάτων ανά cm2 στην απόσταση του στόχου (W/cm2). Η ένταση μειώνεται αντίστροφα με το τετράγωνο της απόστασης.
- Α Αντίδρασης, είναι όλα τα τεχνικά χαρακτηριστικά του στόχου που επηρεάζουν την αλληλοεπίδραση με την ΗΜ ροή των μικροκυμάτων. Περιλαμβάνει το μέγεθος του στόχου, τα αγώγιμα υλικά και την γωνία αυτών εν σχέση με την ροή των μικροκυμάτων. Είναι κυρίως αυτός ο παράγων που κάνει αδύνατη μια εξίσωση και καταλήγουμε στην Συσχέτιση 2. Στα τεχνικά χαρακτηριστικά συμπεριλαμβάνονται η αγωγιμότητα, η διηλεκτρική σταθερά, η μαγνητική διαπερατότητα, όλοι δηλαδή οι παράγοντες που καθορίζουν την απορρόφηση τη.
Οπλικά συστήματα μεγάλης ισχύος μικροκυμάτων μπορούν να είναι συνεχή ή παλμικά. Μπορούν, επίσης, να είναι στοχευμένα (σχετικά στενή ακτίνα) ή ευρείας κάλυψης. Η τεχνολογία αναπτύσσεται ραγδαίως και ξεφεύγει τον σκοπό του άρθρου να εισέλθει σε κατάλογο των πειραματικών και ανεπτυγμένων συστημάτων, αλλά ένα σύστημα (όπως το αμερικανικό Epirus) κατάφερε να καταρρίψει 49 drones ταυτοχρόνως με μια εκπομπή παλμού. Είναι ένα πολύ προηγμένο σύστημα βασιζόμενο σε ενισχυτές στερεάς κατάστασης GaN χωρίς μεγάλες απαιτήσεις ψυκτικών.
Epirus Leonidas, το μικροκυματικό όπλο “κατέβασε” με ένα παλμό 49 drone μαζί!
Γ. Συμπεράσματα
Ο πόλεμος μεταξύ Ρωσίας και Ουκρανίας, και όχι μόνο, έφερε στο προσκήνιο μη επανδρωμένα εναέρια οπλικά συστήματα, από μικρά φτηνά καμικάζι μέχρι ακριβά, πολύπλοκα και σχετικά μεγάλα για αναγνώριση, ηλεκτρονικό πόλεμο και μάχη. Παράγοντας έτσι επιθέσεις κορεσμού, που χρειάζονται αμυντικά συστήματα πολλών εκατομμυρίων για να τα καταρρίψουν, οπότε και να τα καταφέρουν είναι μία Πύρρειος νίκη οικονομικά. Εδώ τα οπλικά συστήματα κατευθυνόμενης ενέργειας, λέιζερ ή μικροκυμάτων, θέτουν το θέμα σε νέα βάση. Τα λέιζερ είναι υποσχόμενα για άμυνα εναντίον σχετικά μεγάλων και φονικών βλημάτων, όπως πυραύλων cruise και βαλλιστικών, που επιτρέπουν χρόνο στόχευσης και καταύγασης για θερμική καταστροφή του στόχου. Εναντίον επιθέσεων κορεσμού τίθεται θέμα χρονικής αντίδρασης γιατί κάθε στόχος απαιτεί στόχευση, παρακολούθηση και χρόνο για καταύγαση μέχρι την καύση/καταστροφή των ηλεκτρονικών, καυσίμων ἠ εκρηκτικών.
Αντίμετρα σε λέιζερ μπορούν να είναι ανθεκτικότερα υλικά με συνδυασμό αντανακλαστικών επιφανειών σε μέρη του βλήματος που δεν επηρεάζουν τους αισθητήρες, όπως των ραντάρ ή υπερύθρων τους. Στην περίπτωση άμυνας πλοίου, η χρήσης αερόφυλλων (chaff) δημιουργεί πρόβλημα για την ταυτόχρονη χρήση λέιζερ προς την ίδια κατεύθυνση, μιας και τα αερόφυλλα παραμένουν στον αέρα για ένα χρονικό διάστημα.
Ακόμη, συστήματα υψηλής ισχύος μικροκυμάτων μπορούν να καταυγάσουν πολλούς στόχους ή να καλύψουν ευρεία περιοχή, δηλαδή είναι αποτελεσματικά όπλα εναντίον επιθέσεων κορεσμού. Αντίμετρα εδώ είναι εξαιρετικά δύσκολα, γιατί επαγωγικά ρεύματα δημιουργούνται σε καλώδια έστω και αν τα ευαίσθητα κυκλώματα έχουν κάπως προστατευτεί με κλωβό του Faraday. Είναι όμως αδύνατον να σφραγιστούν όλα τα ανοίγματα έτσι που να μην αφήνουν έστω έναν αγωγό εκτεθειμένο. Για τους αισθητήρες ραντάρ ή υπερύθρων, των πιο πολύτιμων και μεγαλητέρων μη επανδρωμένων, δεν υπάρχει καμία πιθανότητα αντιμέτρων.
