Plasmavapen och sci-fi: Vad är egentligen plasmavapen?
Plasmavapen är ett av de mest populära koncepten inom science fiction. I Babylon 5 används till exempel "PPG" (Phased Plasma Guns). Ingen vet exakt vad som är "fasat" (phased) med dem, eftersom en plasmoid är en högst slumpmässig entitet, men "fasad" har blivit ett av de där vetenskapliga begreppen som förlorat sin mening på grund av flitigt missbruk i sci-fi-genren. Oavsett vilket ser PPG-skott ut som lysande punkter som rör sig i märkbart underljudsfart.
Liknande exempel finns i klassiska Star Trek, där romulanerna använde en "plasmatorped" som liknade en stor, glödande orange klump. Dessutom har många Star Wars-fans (kanske influerade av Star Trek) hoppat på tåget och bestämt att de gröna turbolaser-skotten i själva verket också är plasmavapen.
Definitionen av plasma
Men vad är egentligen plasma? För den som inte redan vet brukar plasma beskrivas som materiens fjärde tillstånd, efter fast, flytande och gas. Mer tekniskt sett är det joniserad gas – det vill säga gas där energinivån är så hög att elektronerna inte stannar kvar i sina atomskal utan bryter sig loss. Solen består till stor del av plasma, vilket kan beskrivas som en het "soppa" av fritt flytande atomkärnor och elektroner. Logiskt sett borde ett plasmavapen alltså vara något som skjuter ut sådan plasma mot ett mål.
Plasma kontra partikelstrålar
Eftersom partikelvapen skjuter joner mot ett mål, men oftast kallas just "partikelstrålar", uppstår frågan: vad är skillnaden?
- Plasmavapen: Verkar primärt vara värmebaserade. Det är den interna energin i en het plasmoid som skadar målet.
- Partikelstrålar: Skadar målet genom den framåtriktade rörelseenergin (kinetisk energi) i jonströmmen.
Problemet med hastighet
I science fiction skjuter "plasmavapen" ofta synliga projektiler som rör sig betydligt långsammare än vad partiklarna i het plasma faktisk gör. Ett typiskt handvapen i en film skjuter kanske en bult i max 1 km/s (eller under ljudhastigheten).
I verkligheten skulle även en relativt "kall" plasma (1 eV) ha en genomsnittlig partikelhastighet (vrms) på:
- 13,8 km/s för atomkärnor
- 593 km/s för elektroner
Detta är ett stort hinder för deras effektivitet. Varför skulle man vilja ha ett vapen där partiklarnas hastighet är slumpmässigt riktad inuti en långsam, avgränsad klump, istället för att rikta all energi framåt i en extremt snabb stråle? Ett sådant vapen skulle ha mycket sämre genomslagsförmåga och vara långt mindre effektivt.
Gravitationens mysterium
Dessa vapen har ytterligare en fascinerande egenskap på vita duken: de verkar inte påverkas av gravitationen. Detta är ingen liten detalj. Täta objekt som kulor faller i en båge på grund av tyngdkraften, och lätta objekt som heliumballonger stiger på grund av lyftkraft. Man ser oftast inte en kulas fallbåge eftersom den är för liten och snabb, men den är högst påtaglig. Sci-fi-plasmabultar flyger däremot spikrakt mot sina mål som om gravitationen inte existerade.
Man skulle kunna försöka förklara detta med att projektilen har samma densitet som luft, men då skulle den ha samma aerodynamiska egenskaper som en ballong – vilket gör den till en ganska usel projektil.
Det romulanska krigsskeppet avfyrar sin plasmaprojektil mot Utpost Fyra. Från det klassiska avsnittet "Balance of Terror".
Hur bra skulle ett plasmavapen fungera i verkligheten?
Det korta svaret är: på alla avstånd där det tar mer än en tusendels sekund för projektilen att nå målet – inte särskilt bra. Plasma sprider sig nämligen extremt snabbt. Även om plasmapistoler faktiskt existerar i verkligheten och har föreslagits som en mekanism för att fylla på bränsle i fusionsreaktorer av Tokamak-typ, har de aldrig seriöst övervägts som vapen. De kan visserligen avfyra en "klump" plasma i megajoule-klassen (MJ), men denna klump skulle inte hålla ihop särskilt länge i vakuum, och ännu mindre i en atmosfär där den skulle träffa en virtuell tegelvägg (atmosfären vid havsnivå är miljarder gånger tätare än fusionsplasma). Man skulle kunna förlänga räckvidden genom att slunga ut dessa joner ur pipan med extrem hastighet (t.ex. relativistisk fart), men de bultar vi ser i sci-fi rör sig inte ens i närheten av så snabbt.
Problemet med inneslutning
Okej, så varför inte bara "stänga in" plasman? För det första finns det uppenbara problemet att en plasmaklump inte håller ihop sig själv. Du skulle behöva skapa något slags magiskt inneslutningsfält som rör sig med projektilen och som inte kräver någon teknisk apparatur för att upprätthållas.
Men det blir värre. Låt oss räkna på det:
- Projektil: 1 meter lång, 0,5 cm i diameter.
- Energi: 1 MJ (motsvarar ungefär 100 gram TNT).
- Temperatur: 1 keV plasma (cirka 8 miljoner Kelvin).
För att uppnå detta skulle du behöva 6,24 × 1021 joner, vilket motsvarar mindre än 0,01 gram vätgasplasma.
Här uppstår ett litet problem: Vanlig luft är många gånger tätare än denna plasma. Det innebär att plasmabulten skulle tendera att stiga uppåt på grund av lyftkraften (likt en ballong). Dessutom skulle den behöva ett eget framdrivningssystem för att ens ta sig genom luftmotståndet, eftersom dess minimala massa innebär att den saknar rörelsemängd nog att "kustrulla" genom atmosfären.
Båda dessa problem kan lindras genom extrem partikelhastighet (en tillräckligt hypersonisk projektil har tillräckligt med rörelsemängd för att motverka lyftkraften och nå längre). Men eftersom det i så fall snarare rör sig om en partikelstråle än en rörlig sci-fi-klump, är det inte tillämpbart här.
Sammanfattning: En "ångpistol"?
Kort sagt, en typisk underljuds- eller lätt överljudsprojektil av plasma – så som de ser ut i sci-fi – skulle kräva ett magiskt, självförsörjande inneslutningsfält, och den skulle flyta upp i luften även om den lyckades hålla ihop.
Fråga dig själv: hur effektivt skulle ett "het ång-vapen" vara? Det låter inte särskilt imponerande, eller hur? Du ser framför dig ett moln av ånga som sprutas ur en pistol och omedelbart skingras i luften. Varför låter det då som en så fantastisk idé bara för att man byter ut "ånga" mot "plasma" – vilket i princip bara är en väldigt het gas?
Plasma i science fiction kontra verklig fysik
Okej, låt oss försöka lösa problemet genom att använda en plasma med lägre energi men högre densitet. Vi skulle kunna försöka motverka lyftkraften genom att göra plasman kallare (säg 1 eV, eller 8 000 K, vilket är något hetare än solens yta). Det skulle kräva tusen gånger fler joner i samma volym, men densiteten skulle fortfarande vara alldeles för låg för att projektilen skulle kunna plöja genom atmosfären på enbart rörelsemängd. Den skulle kanske inte flyta uppåt som en ballong, men prova att kasta en vanlig ballong på någon så inser du snabbt hur dåligt ett objekt med luftdensitet flyger.
Problemet med tryck och densitet
Vad händer om vi minskar volymen för att göra den lika tät som en fast projektil? Det löser visserligen problemet med luftmotståndet, men nu måste projektilen vara mikroskopisk. För att lyckas med det måste du pressa ihop den med ett enormt tryck. Om vi klämmer in vår plasmoid på 1 MJ i en volym av 1 cm3 och applicerar den allmänna gaslagen, finner vi att trycket hamnar runt 700 GPa!
AT-M6 (All Terrain MegaCaliber Six), även allmänt känd som "Gorilla-gångaren" eller First Orders tunga anfallsgångare. Från Star Wars: Episode VIII - The Last Jedi under slaget vid Crait.
Den tunga megakaliberkanonen på ryggen avfyrar superupphettad plasma med enorm kraft.
Inneslutningsfältets paradox
Hur många problem uppstår inte när du behöver ett inneslutningsfält som är tusen gånger starkare än stål bara för att hålla ihop din plasmaklump? Några frågor dyker omedelbart upp:
- Om de kan skapa ett så starkt kraftfält som dessutom underhåller sig självt utan en projektor, varför gör de inte personliga skyddssköldar som är minst lika starka?
- Varför lyser bulten inte som solen, med tanke på att den är hetare än solens fotosfär och tätare än stål?
Slutsats: En logisk återvändsgränd
Sammanfattningsvis: idén om ett långsamt, rörligt och självbehållande plasmavapen är helt enkelt orimlig.
Hur fungerar plasmavapen i rymden?
Problemen med att försöka trycka en självbehållande plasmaklump genom en atmosfär minskar förvisso i rymden av uppenbara skäl, men samtidigt ökar energikraven markant.
Låt oss undersöka en hypotetisk plasmoid med en sprängverkan på 1 megaton och en volym på 1 miljon kubikmeter...
Samma gamla problem – i ny miljö
- Det "magiska" kraftfältet: Du behöver fortfarande ett fantastiskt starkt kraftfält för att hålla ihop bulten.
- Logikluckan: Varför använder inte fienden liknande fält som sköldar?
Varför envisas sci-fi författare att använda Plasma?!
Kanske borde man fråga dem direkt. Min gissning är att de gör det för att det låter coolt och för att de helt enkelt inte vet bättre.
Ja, i Star Wars-universumet är en lightsaber plasma, inte en laser.
Roliga fakta om plasma
- Extrema temperaturer: Plasman vid solens yta är ungefär 6 000 K.
- Varför lyser plasma? Plasma lyser främst genom bremsstrahlung (bromsstrålning).
- Ideala gaslagen: Plasma beter sig nästan exakt som en ideal gas: PV = nRT.
Slutsats: Plasma är ett fascinerande och energirikt tillstånd, men som projektilvapen i krig är det tyvärr mer av en science fiction-dröm än en fysikalisk realitet.