Отвечаем на ваши гипотетические вопросы с точки зрения физики

Лазерный зонтик

Оригинал: Laser Umbrella

Укрываться от дождя под зонтиком или в палатке скучно. Что, если попробовать остановить дождь с помощью лазера, который будет прицельно испарять каждую каплю прежде, чем она приблизится к земле на три метра?

— Зак Уилер

Бороться с дождем с помощью лазера — это одна из тех идей, которые звучат совершенно разумно, но если…

Что в ней разумного? Как это можно было сказать?

Идея лазерного зонта может казаться привлекательной, но…

Да что с тобой?

Хорошо. Возникла идея останавливать дождь лазером, и мы ее сейчас обсуждаем.

Непонятно только, зачем.

Это не очень практичная идея.

Давайте сперва посмотрим на базовые требования к энергии. Чтобы испарить литр воды, понадобится около 2,6 мегаджоуля[1],Если вода холоднее, энергии понадобится больше, но не намного больше. На разогрев воды до грани кипения мы затратим крохотную долю наших 2,6 мегаджоуля. В основном они пойдут на преодоление порога между водой при 100ºC и паром при 100ºC. а в сильный ливень может выпадать более сантиметра дождя в час. Это тот случай, когда уравнение совсем не сложное: просто умножаем эти 2,6 мегаджоуля на скорость выпадения осадков и получаем необходимую для работы лазерного зонта мощность (в ваттах на укрытый от дождя квадратный метр). Когда единицы выходят настолько понятными, это даже странно:

$$ 2{,}6\tfrac{\text{мегаджоуля}}{\text{литр}}\times1\tfrac{\text{см}}{\text{час}}=7220\tfrac{\text{ватт}}{\text{квадратный метр}} $$

7 киловатт на квадратный метр — это на порядок больше тепла, получаемого поверхностью Земли с солнечным светом, так что все вокруг довольно быстро нагреется. В результате вокруг вас образуется облако пара, в которе вы будете перекачивать все больше и больше энергии лазера.

Другими словами, вы построите автоклав размером с человека. Стоит ли говорить, что автоклавы — не самый популярный вид жилья.

Но дальше — хуже! Испарить каплю воды лазером сложнее, чем может показаться[2].А оно, если честно, и так кажется довольно сложным. На эту тему существует много, много, много публикаций[3],Цитата из статьи Испарение капель воды нагреванием с помощью импульсного лазера Дж. Ц. Карлса и Дж. Р. Брока: «…реализовать на практике нагревание воды до очень высоких температур до того, как она существенно сдвинется, <…> может быть затруднительно».Другие цитаты из подобных статей, в отрыве от контекста: «Капля удерживает свою основную форму и не разбивается на части», «Образовавшиеся ранее частицы, возможно, испарятся», «Уравнение состояния выглядит странно, но из него следует, что не все так хорошо», «Лавинообразный провал», «крайне малое и иногда отрицательное давление», «наиболее динамичная возможная реакция» и «Обратите внимание на очень высокие температуры». и общая идея такова: чтобы испарить каплю воды, а не просто разбить ее на маленькие капельки, нужно очень быстро передать ей много энергии.

Вот видео, на котором каплю воды сбивают лазером. Видно, что она скорее разлетается на брызги, чем испаряется. Мораль в том, что нам, похоже, понадобится еще больше энергии, чем то уже непомерное ее количество, которое мы рассматривали.

Затем нас ждет проблема прицеливания. Теоретически, она решаема. Адаптивная оптика позволяет чрезвычайно быстро и точно управлять световыми лучами. Чтобы укрыть от дождя 100 квадратных метров (об этом Зак тоже спрашивал в полном письме), понадобилось бы порядка 50 000 выстрелов в секунду. Это достаточно мало, чтобы не возникло явных причин привлекать теорию относительности, но уж как минимум понадобится более сложная аппаратура, чем просто лазерная указка на крутящейся подставке.

Простым выходом может показаться решение забыть о наведении и палить из лазеров во все стороны[4].Со временем это решает ВСЕ проблемы. Если выстрелить из лазера в случайном направлении, на каком расстоянии он попадет в каплю? Ответить довольно легко (это все равно что спросить, какая во время дождя видимость): как минимум несколько сотен метров. Если только вы не пытаетесь защитить целый район, стрельба во все стороны из мощного лазера вряд ли вам поможет.

И, честно говоря, даже если вы пытаетесь защитить целый район…

Возможных причин множество. Курение в постели. Обогреватель накрыли тканью. Индуцированные токи. Пятна на Солнце. Квадратурные приливы. Ингибирование ЦОГ-2. eBay. Реверсивный огнетушитель. Привидение из Pac-Manʼа могло пробраться в твой дом и опрокинуть свечку. Да что угодно.

…стрельба из мощного лазера во все стороны уж точно не поможет.