Естествената радиационна среда около Земята може да се превърне в неочакван инструмент, който да показва дали в орбита са разположени забранени ядрени оръжия.

Огромните невидими пояси около Земята

Около нашата планета, подобно на огромен невидим пръстен, се простира една от най-необичайните особености на Земята.

Радиационните пояси на Ван Алън представляват огромни области, изпълнени с високоенергийни заредени частици, задържани от земното магнитно поле. Много от тях се движат със скорости, близки до тази на светлината.

Тези пояси не са напълно статични. Състоянието им се променя под въздействието на слънчевата активност, а наблюденията показват, че дори създадени от човека радиосигнали с много ниска честота могат да влияят върху движението на част от заредените частици и върху границите на радиационната среда около планетата.

Обикновено високоскоростните частици се разглеждат като сериозна заплаха, с която трябва да се съобразяват както конструкторите на спътници, така и екипите, подготвящи пилотирани космически мисии.

Затова прогнозирането на космическото време става все по-важно. Слънчевите изригвания и геомагнитните бури могат рязко да повишат интензивността на радиационните пояси и да повредят чувствителната електроника на спътниците.

Ядреният физик Арег Данагулян от Масачузетския технологичен институт – MIT, обаче смята, че тези частици могат да се превърнат в неочакван съюзник и да помогнат за откриването на ядрени оръжия, укрити в околоземна орбита.

„Започнах да проучвам научната литература за радиационната среда в открития Космос и попаднах на множество изследвания, описващи големите количества протони, уловени в земното магнитно поле“, разказва Данагулян.

„Тогава ми хрумна връзката: протони и спалация при взаимодействие с уран.“

Данагулян представя концепцията в научна статия, публикувана в списание Nature.

Разрушителните уроци на ядрените изпитания

Бумът на ядрените изпитания в средата на XX век е един от най-мрачните периоди в съвременната история. Той причинява огромни разрушения, но същевременно дава на учените ценна информация за въздействието на ядрените експлозии.

Опитите, извършвани на голяма височина, показват колко опустошителен може да бъде един ядрен взрив в Космоса. Подобна експлозия е способна да повреди спътници и да изпълни околоземното пространство с опасна радиация.

През 1967 г. световните сили подписват Договора за принципите, регулиращи дейността на държавите при изследването и използването на космическото пространство, известен накратко като Договора за Космоса. С него държавите се задължават да не разполагат ядрени оръжия в Космоса.

По-конкретно, член IV забранява извеждането в околоземна орбита на обекти, носещи ядрени или други оръжия за масово унищожение, както и разполагането им върху небесни тела или на други места в космическото пространство.

На пръв поглед това звучи успокояващо. Съществува обаче един съществен проблем.

В момента няма практически приложим начин да се провери дали всички държави действително спазват договора. А когато липсва надежден механизъм за контрол, дори международното споразумение започва да прилича по-скоро на джентълменска договорка.

Как се ражда идеята

През 2024 г. няколко на пръв поглед несвързани теми се събират в съзнанието на Данагулян. Един от неговите студенти изследва процес, наречен неутронна спалация, при който високоенергийни частици избиват неутрони от атомните ядра.

По същото време негови колеги обсъждат възможността руски спътник да носи ядрено устройство.

Според допълнителна информация, публикувана от MIT, тревогите се засилват след изстрелването през 2022 г. на руски спътник в необичайна орбита с високо радиационно натоварване. Русия заявява, че апаратът е предназначен за наблюдение, докато представители на САЩ допускат, че той може да е свързан с изпитания на компоненти за ядрено противоспътниково оръжие. Тези подозрения обаче не са доказателство, че спътникът действително носи ядрено устройство.

Ядреният опит Starfish Prime е извършен през 1962 г. на височина около 400 километра над Тихия океан – приблизително колкото височината, на която днес обикаля Международната космическа станция. Експлозията създава изкуствен радиационен пояс, който поврежда няколко спътника. Снимка: Военновъздушните сили на САЩ.

Тези две теми се съчетават в съзнанието на Данагулян и го насочват към една проста идея.

Поясите на Ван Алън така или иначе непрекъснато облъчват спътниците с високоенергийни протони. Защо този естествен поток от частици да не бъде използван за откриване на скрит уран?

Естественият поток от частици като космически скенер

„Когато спътник, носещ термоядрено оръжие, премине през вътрешните радиационни пояси на Ван Алън, протоните в тях избиват голям брой неутрони от ядрата на урана“, обяснява ученият.

„С помощта на специално разработен неутронен детектор тези частици могат да бъдат засечени. Подобен сигнал би подсказал, че на борда на спътника има необичайно голямо количество уран.“

Работата на Данагулян представлява проучване на техническата осъществимост. С други думи, тя не представя вече действаща система, а показва, че физическите принципи зад концепцията са надеждни и че необходимите технологии до голяма степен вече съществуват.

Изчисленията, представени от MIT, дават по-конкретна представа за потенциала на метода. Според тях детектор с размери приблизително колкото голяма енциклопедия би могъл да установи наличието на ядрено оръжие с 99% точност, ако в продължение на около седмица се движи на разстояние не повече от 4000 метра от подозрителния спътник. При приближаване на около 1000 метра необходимото време би могло да бъде съкратено до приблизително един час. Засега обаче това са резултати от компютърно моделиране, а не от реално изпитание в орбита.

„При този проект всичко е напълно засекретено.“

— ядреният физик Арег Данагулян

Неутронната спалация например се използва редовно в ускорителите на частици за създаване на неутронни снопове, с чиято помощ учените изследват вътрешната структура на различни материали.

Когато високоенергиен протон се сблъска с ядро на тежък елемент като уран или плутоний, от него могат да бъдат отделени десетки неутрони. Именно този сравнително силен неутронен сигнал прави предложената концепция теоретично възможна.

Прилагането на метода в Космоса обаче поставя редица допълнителни инженерни предизвикателства.

Как да бъде открит точният сигнал сред море от частици

Засичането на неутрони в орбита е много по-трудно, отколкото може да изглежда. Детекторът трябва да ги разграничи от огромния поток други частици и едновременно с това да установи дали те идват от наблюдавания спътник, а не от Земята под него.

Предложената конструкция включва панели с неутронни сензори, разположени между детектори от синтетичен кристален диамант. Целта е системата да отсява сигналите, породени от протони и електрони, и да определя приблизителната посока, от която идват неутроните.

Освен това детекторът трябва да се движи по прецизно изчислена орбита и да се намира на правилното място в точния момент.

„Всички тези условия трябва да бъдат изпълнени“, казва Данагулян. „Тук се съчетават ядрена физика, космическо време и орбитална механика.“

Измерването на космическата радиация в орбита само по себе си не е непозната задача. България също има принос в тази област – български уреди за изследване на космическата радиация от серията „Люлин“ работят на Международната космическа станция и в орбита около Марс.

Новата концепция обаче изисква не просто измерване на общото радиационно натоварване, а разпознаване на сравнително слаб и насочен неутронен сигнал, идващ от конкретен обект.

Силната радиация е предизвикателство и за самата апаратура. Наред с традиционното екраниране учените проучват и по-необичайни възможности за защита – включително използването на радиотрофни гъби като експериментален радиационен щит в Космоса. Подобни решения все още са в ранен етап на развитие, но показват колко разнообразни могат да бъдат подходите към един от основните рискове пред дългосрочните космически мисии.

Препятствието, за което почти никой не говори

Инженерните трудности са само едната страна на проблема. Другото сериозно препятствие е намирането на специалисти, готови да обсъждат темата открито.

„Бях изненадан до каква степен хората и институциите, работещи в тази област, пазят мълчание по темата“, казва Данагулян.

„Работата на екипа ми в MIT е публично достъпна. Въпреки това сме се занимавали с чувствителни теми като контрола над въоръженията, проверката на ядрените бойни глави и неразпространението на ядрени оръжия. Дори колеги, които извършват класифицирани изследвания, успяваха да споделят с нас определена информация.

При този проект обаче всичко е напълно засекретено.“

От научна концепция до действаща система

Въпреки техническите препятствия Данагулян е оптимист, че идеята може да бъде осъществена. Екипът му вече работи по нейното усъвършенстване, а ученият се надява и други специалисти да се включат, за да превърнат проучването на осъществимостта в реално действаща система.

В дългосрочен план той си представя мрежа от инспекционни спътници, чрез които космическите държави да могат да проверяват спазването на Договора за Космоса. Това би могло да става както чрез съвместно договорени проверки, така и чрез независимо наблюдение.

„Изграждането на цялостна система ще бъде скъпо и изключително сложно от инженерна гледна точка. Но смятаме, че е възможно“, казва той.

„Може да прозвучи нескромно, но според мен това е почти толкова важно, колкото създаването на Starlink. Подобен механизъм за проверка е необходим, ако искаме да гарантираме сигурността в космическото пространство.“

Изследването е публикувано в списание Nature.

Източник: Science Alert; превод и редакция: Владимир Тодоров