Ett forskningssamarbete mellan Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) och Air Force Institute of Technology (AFIT) undersöker hur neutronenergin från en kärnkraftsdetonation kan påverka avböjningen av en asteroid.

Forskare jämförde den resulterande asteroidavböjningen från två olika neutronenergikällor, representativ för fissions- och fusionsneutroner, möjliggör jämförelser sida vid sida. Målet var att förstå vilka neutronenergier som frigörs från en kärnexplosion som är bättre för att avleda en asteroid och varför, potentiellt banar väg för optimerad avböjningsprestanda.

Verket visas i Acta Astronautica och leddes av Lansing Horan IV, som en del av ett samarbete med LLNL:s Planetary Defense and Weapon Output-grupper under hans kärntekniska masterprogram på AFIT. Medförfattare från LLNL inkluderar Megan Bruck Syal och Joseph Wasem från LLNL:s huvuddirektorat för vapen och komplex integration, och medförfattarna från AFIT inkluderar Darren Holland och Maj. James Bevins.

Horan sa att forskargruppen fokuserade på neutronstrålningen från en kärndetonation eftersom neutroner kan vara mer penetrerande än röntgenstrålar.

"Detta betyder att ett neutronutbyte potentiellt kan värma större mängder av asteroidytmaterial, och därför vara effektivare för att avleda asteroider än en röntgenstrålning, " han sa.

Neutroner av olika energier kan interagera med samma material genom olika interaktionsmekanismer. Genom att ändra fördelningen och intensiteten av den deponerade energin, den resulterande asteroidavböjningen kan också påverkas.

Forskningen visar att energidepositionsprofilerna – som kartlägger de rumsliga platserna vid och under asteroidens krökta yta, där energi deponeras i olika fördelningar – kan vara ganska olika mellan de två neutronenergierna som jämfördes i detta arbete. När den avsatta energin fördelas annorlunda i asteroiden, detta betyder att det smälta/förångade avblåsningsavfallet kan ändras i mängd och hastighet, vilket är det som i slutändan bestämmer asteroidens resulterande hastighetsförändring.

Att besegra en asteroid

Horan sa att det finns två grundläggande alternativ för att besegra en asteroid:störning eller avböjning.

Störning är tillvägagångssättet för att ge så mycket energi till asteroiden att den är robust splittrad i många fragment som rör sig i extrema hastigheter.

"Tidigare arbete fann att mer än 99,5 procent av den ursprungliga asteroidens massa skulle missa jorden, ", sade han. "Denna störningsväg skulle sannolikt övervägas om varningstiden före en asteroidnedslag är kort och/eller om asteroiden är relativt liten."

Avböjning är det mildare tillvägagångssättet, som innebär att ge en mindre mängd energi till asteroiden, hålla objektet intakt och skjuta in det i en något annan bana med en något ändrad hastighet.

"Över tid, med många år innan påverkan, till och med en minimal hastighetsförändring kan summera till ett avstånd från jorden, " sa Horan. "Avböjning kan i allmänhet vara att föredra som det säkrare och mer "eleganta" alternativet, om vi har tillräckligt med varningstid för att genomföra den här typen av svar. Det är därför vårt arbete fokuserade på avböjning."

Kopplar energiavlagring till asteroidrespons

Arbetet utfördes i två primära faser som inkluderade neutronenergideposition och asteroidavböjningssvar.

För energideponeringsfasen, Los Alamos National Laboratorys Monte Carlo N-Particle (MCNP) strålningstransportkod användes för att simulera alla olika fallstudier som jämfördes i denna forskning. MCNP simulerade en standoff-detonation av neutroner som strålade mot en 300 m SiO2 (kiseloxid) sfärisk asteroid. Asteroiden delades av hundratals koncentriska sfärer och inkapslade koner för att bilda hundratusentals celler, och energideposition räknades och spårades för varje enskild cell för att generera energidepositionsprofiler eller rumsliga energifördelningar genom asteroiden.

För asteroidavböjningsfasen, LLNL:s 2D och 3D godtyckliga Lagrangian-Eulerian (ALE3D) hydrodynamikkod användes för att simulera asteroidmaterialets svar på de övervägda energiavsättningarna. De MCNP-genererade energiavsättningsprofilerna importerades och kartlades till ALE3D-asteroiden för att initiera simuleringarna. Den resulterande förändringen av avböjningshastigheten erhölls för olika konfigurationer av neutronutbyten och neutronenergier, möjliggör att effekten av neutronenergin på den resulterande avböjningen kan kvantifieras.

Ett litet steg för avböjning

Horan sa att arbetet är ett litet steg framåt för simuleringar av kärnavböjning.

"Ett slutmål skulle vara att bestämma det optimala neutronenergispektrumet, spridningen av neutronenergiutgångar som avsätter sin energi på det mest idealiska sättet för att maximera den resulterande hastighetsändringen eller avböjningen, ", sa han. "Det här dokumentet avslöjar att den specifika neutronenergin kan påverka asteroidens avböjningsprestanda, och varför detta händer, fungerar som ett språngbräde mot det större målet."

Horan sa att forskningen visade att precision och noggrannhet i energiavsättningsdata är viktigt. "Om energidepositionen är felaktig, vi borde inte ha mycket förtroende för asteroidavböjningen, ", sa han. "Vi vet nu att energidepositionsprofilen är viktigast för stora avkastningar som skulle användas för att avleda stora asteroider."

Han sa att om det skulle finnas en plan för att mildra en stor inkommande asteroid, the energy deposition spatial profile should be accounted for to correctly model the expected asteroid velocity change.

"On the other hand, the energy coupling efficiency is always important to consider, even for low yields against small asteroids, " he said. "We found that the energy deposition magnitude is the factor that most strongly predicts the overall asteroid deflection, influencing the final velocity change more than the spatial distribution does."

For planning an asteroid mitigation mission, it will be necessary to account for these energy parameters to have correct simulations and expectations.

"It is important that we further research and understand all asteroid mitigation technologies in order to maximize the tools in our toolkit, " Horan said. "In certain scenarios, using a nuclear device to deflect an asteroid would come with several advantages over non-nuclear alternatives. Faktiskt, if the warning time is short and/or the incident asteroid is large, a nuclear explosive might be our only practical option for deflection and/or disruption."