כיפת ברזל, לייזרים והעתיד של הגנה מטילים

אחד מהשימושים המוקדמים ביותר בכלי נשק מבוססי אור, על פי האגדה, היה השימוש של ארכימדס במראות כדי למקד את אור השמש על מנת להצית את מפרשי הבד של ספינות הצי הרומי כאשר פלשו הרומים לסירקיוז.

Archimedes does it again - defending Syracuse with mirrors

כיום, כמו בעבר, מלחמה מהווה מנוע חזק לפיתוחים טכנולוגיים, אז לא מפתיע שמחקרים מתמקדים בלייזרים על מנת להגן מפני טילים.

US ADAM vs. Qassam - Lockheed Martin

מאז שנות השמונים בהן פיתח רונלד רייגן אמצעי לוחמה נגד טילים רוסים ב1983 (מה שנקרא תוכנית SDI או בשפה העממית ״מלחמת הכוכבים״), מספר צבאות וחברות ביטחון פיתחו מגוון מערכות נשק לייזר. בהמשך נבחן את ההיסטוריה הטכנולוגית העומדת מאחורי הלייזר, ההגנות שלייזר יכול להעניק, ונסקור כמה מהפטנטים.

נתחיל מהסיבות לשקול שימוש במכשירי לייזר:

• רמת דיוק גבוהה

• עלות נמוכה לשימוש (~ 1 $ לכל ירי לעומת ~ 50k $ לכל ירי של כיפת ברזל)

• קיבולת 'מחסנית' כמעט בלתי מוגבלת

• פחות נפגעים רנדומליים

• יכולת לטפל במספר יעדים במהירות

• אנרגיית הלייזר נעה במהירות האור

מלחמת הלייזר הראשונה

סיפור הלייזר מתחיל במלחמה, אבל לא כזו שיש בה כלי נשק, הרוגים ופצועים, אלא במלחמה מסוג אחר לגמרי - מלחמה של פטנטים. גורדון גולד היה הראשון להמציא את הלייזר, ותיאודור מימון היה הראשון שבנה מכשיר לייזר בפועל. גולד הגה סדרה של רעיונות הקשורים ליסודות הלייזר (מילה שטבע מראשי התיבות Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation או בעברית: ״הגברת אור מגירוי פליטת קרינה״) בזמן שהיה באוניברסיטת קולומביה בשנות ה-50. רעיונות אלה תועדו על ידי נוטריון בחנות ממתקים מקומית בעצת צ'ארלס טאונס, שהיה פרופסור בקולומביה ומאוחר יותר זכה בפרס נובל על עבודתו על הלייזר וה'מייזר' שהקדים את הלייזר.

Notarized notebook page with first description of laser

בתמונה למעלה יש דף החתום על ידי נוטריון המתאר קרן אור מרוכזת שנוצרה בין שתי מראות, בחלל מלא גז. גולד הגיש על ההמצאה הזו בקשה לפטנט רק בשנת 1959, אחרי שטאונס ופיזיקאי נוסף, ארתור שוולו, כבר הגישו בקשות לפטנט משלהם.

גולד עזב את האוניברסיטה ללא תואר והצטרף לחברת מחקר קטנה בשם TRG, אשר בעזרת רעיונותיו השיגה חוזה מחקר גדול מטעם סוכנות הפרויקטים למחקר מתקדם של משרד הביטחון של ארה'ב (DARPA). למרות ההתחלה המבטיחה גולד לא יכול היה להמשיך לעבוד על ההמצאות שלו בעקבות מעורבותו באקטיביזם קומוניסטי, שבעקבותיו נשלל אישור ביטחוני שלו ונאסר עליו לעבוד על המצאתו. גולד נאבק בהחלטה זו בבתי המשפט במשך שנים עד אוקטובר 1977, רק אז העניק לו משרד הפטנטים פטנט על לייזרים, ובסופו של דבר התקבלו כל ארבע בקשות הפטנטים שהגיש גולד במקור.

אחרי עשרים שנות לחימה שוויו של שוק הלייזרים עלה ליותר מ -500 מיליון דולר בשנה, וגולד הפך מיליונר.

מאז, המחקר והפיתוח של לייזרים התקדם במהירות, וכיום משתמשים בלייזרים בתקשורת, בכירורגיה, ריתוך וחיתוך מתכות, וכן נעשה מחקר פיסיקה בסיסי הכולל קירור בלייזר, היתוך גרעיני ועוד.

לייזר ככלי נשק

'נשק אנרגיה מכוון' הוא סוג של כלי נשק הכוללים לייזרים בעלי עוצמה גבוהה אשר מטרתם 'לסנוור ולהשמיד'. 'מסנוור' מתייחס לסנסורים ומצלמות שגורמים לסנוור (החלטה של ​​האו"ם מ -1995 אוסרת על שימוש בכלי נשק לייזר הגורם לעיוורון של בני אדם), ו'השמדה' במקרה זה פירושה השמדת טילים ומטרות צבאיות אחרות.

The laser patent's basic idea

הלייזר הינו למעשה מכשיר לאחסון אנרגיה - האנרגיה נשמרת על ידי 'דחיפה' של אלקטרונים למצבי אנרגיה גבוהים (כפי שנראה בתמונה משמאלי למעלה), שם הם עלולים ל״הדחף״ חזרה למצב היסוד על ידי פוטון חולף שנמצא בתדר הנכון, ובכך משחרר פוטון משלו (כפי שמראה התמונה מימין למעלה).אם התנאים נקבעים כראוי, ניתן להזין באנרגיה אלקטרונים של אטומי הלייזר לאורך זמן רב,(כמו שדוחסים קפיץ) ואז לשחרר האנרגיה הרבה במהירות, וכתוצאה מכך לייצר אור בעל עוצמת שיא גבוהה - זוהי 'ההגברה' בראשי התיבות LASER (כלומר ״הגברת אור מגירוי פליטת קרינה״ - תרגום ראשי התיבות של המילה לייזר מאנגלית).

Maiman's ruby laser

תיאודור מאימון פיתח את הלייזר העובד הראשון בשנת 1960. הוא הורכב ממוט אודם, כשהקצה שלו מצופה במראה, וכולו מוקף בפנס סלילי. האור הבהיר מהמנורה הזרים אנרגיה לאלקטרונים של יוני הכרום של מוט האודם. קרן לייזר היוצאת ממנו הינה באורך גל של 694 ננומטר, צבעה אדום עמוק, ויש לה בהספק של כ -100 וואט.

מאז אותם ימים ראשונים, עוצמת הלייזר גדל ביותר מפי -13 סדרי גודל, ל -2 פטוואטים - רגעית, יותר מהספק האנרגיה בה משתמש כל כדור הארץ. אולם העוצמה המדוברת הינה עוצמה רגעית, והפעימה אמנם מאוד אינטנסיבית אך קצרה - כך שהאנרגיה הכוללת עשויה להגיע רק לכמה מאות או אלפי ג'ואלים (שזו בערך האנרגיה הנדרשת להרים 1 ק"ג לגובה 10 עד 100 מטר).

סוג זה של פעימה קיצוני טוב לדברים כמו ניסויי היתוך גרעיני , אך פחות עבור השבתת טילים.

Inertial confinement death-star

כדי להוריד טיל צריך לשמור על הספק גבוה לתקופות ארוכות יחסית (מספר שניות), עם אנרגיה כוללת הקרובה יותר לזו של מכונית בכביש מהיר (1MJ או מיליון ג'ול) מאשר סלע בגובה 10 מטר (100Joules).

Laser power required for various purposes

האתגרים

כּוֹחַ

במאמר משנת 1987 [1] אשר שימש כמסמר בארון הקבורה של תוכנית 'מלחמת הכוכבים', טאונס, מייזר ואחרים הגיעו למסקנה כי הלייזרים אותם הצליחו לפתח עד כה הינם למעשה חסרים עוצמה, ולפחות פי מאה חלשים מידי. כיום, לייזרים של מצב מוצק וסיבים חזקים הרבה יותר והם עשויים לעשות את העבודה, וכן הם הרבה יותר ניידים מאשר הלייזרים הכימיים של אז. אולם עדיין האנרגיה הנדרשת היא אתגר ודורש מחקר ופיתוח.

פיזור הקרן ומערבולת אוויר

קיימת מגבלה יסודית הנוגעת לעד כמה יכולה להיות קרן לייזר קו ישר ולא קונוס מכיוון שגם עם העדשות והאופטיקה המושלמות ביותר, עדיין הקרן מתפשטת במידה מסוימת. המגבלה הבסיסית נובעת מהשתברות (diffraction) קרן הלייזר. זווית המינימלית ניתנת על ידי המשוואה הבאה:

θ = 2.44λ / D

כאשר λ הוא אורך הגל של קרן הלייזר ו- D הוא קוטר שלה. קוטר הקרן גדל ככל שמתרחקים ממקור אלומת הלייזר.

אם מכוונים לייזר בצורה אופקית דרך האטמוספירה, מערבולות אוויר גם הן מוסיפות לפיזור הקרן ולזווית פתיחה של לפחות 10 מיקרוראדיאנים. פתיחה זו הינה עדיין קטנה מספיק בהינתן אופטיקה מצוינת, קוטר התחלתי גדול וכיוון מושלם - עדיין ניתן לשים נקודה על טיל קוטר 30 ס"מ במרחק של 3 ק"מ. עם זאת, עשן, חול, אבק, ערפל, וגשם עשויים לגרום לכשל בלייזר עקב פיזור וספיגת עוצמת הלייזר.

אוֹפְּטִיקָה

זיהומים עלולים להרוס את הדיוק העדשות ומכשור הלייזר. יש לשמור על ניקיון ברמת סטריליות דרישה חמורה בכל סיטואציה עם חלקיקי אבק, ספריי מלח וכו׳. כתם לכלוך על עדשת הלייזר יכול לגרום לה להתנפץ.

מעקב (tracking)

משתמשים בגלאים מיוחדים לעקוב אחרי המטרות בהן רוצים לפגוע. עם זאת עננים, גשם או עשן יכולים לשבש את האות . לכן באופן אידיאלי יש להשתמש במגוון טכניקות במקביל - כגון מכ"ם, זיהוי אופטי ועוד.

ריצודי קרן הלייזר על גבי המטרה

בעיה נוספת בטכנולוגיית הלייזר היא ריצוד קרן הלייזר על גבי המטרה בגלל ויברציות של מקור הקרן. כעיקרון קרן הלייזר צריך לפגוע בנקודה אחת למשך מספר שניות לפחות על מנת להשבית את המטרה. מכיוון שלעיתים מכשיר הלייזר נמצא על ספינה או רכב עם מנוע פועל או כל מקום אחר שאיננו בהכרח יציב, קרן הלייזר תרצד על המטרה.

לסיכום

מכיוון שמזג האוויר ותנאי השטח עלולים לשבש את הקרן בדרכים שלא ישפיעו על טיל פיזי, הגנת לייזר ככל הנראה תהיה משלימה לטילים בהם נעשה שימוש בכיפת ברזל ולא כלי היירוט העיקרי.

Iron Dome does its thing

לייזרים מתאימים כלכלית גם נגד מספר גדול של יעדים קטנים ואיטיים יותר כגון מזל"טים קטנים, פצצות מרגמה וטילים ארטילריים לא מונחים - נשק מהסוג שיש לחמאס ולחיזבאללה. ארסנל חיזבאללה מוערך בכ -150,000 רקטות, בעוד שבמאגר החמאס היו לפחות ~ 4,000 רקטות ששוגרו בסבב הלחימה האחרון במאי. גם אם כיפת ברזל הייתה יעילה במאת האחוזים, במחיר של כ- 50,000$ לטיל, הגנה מפני מטח מסיבי או רצף של מטחים מסיביים הופכת ליקרה ביותר וכמעט בלתי אפשרית.

הטכנולוגיה הנוכחית

לייזרים כימיים

קרן לייזר מסוג זה נוצרת בעקבות ריאקציה כימית שגורמת לפליטת אור. העוצמה המתמשכת הגבוהה ביותר של קרן לייזר היא 1 מגה-ווט, אשר הושגה לראשונה על ידי לייזר כימי מתקדם במטווח הטילים White Sands בניו מקסיקו - אשר היה חלק מתוכנית מלחמת הכוכבים מתקופת רייגן. מכשיר זה, שכלל כמות גדולה של כימיקלים בעלי תגובתיות גבוהה (כגון פלואור, דאוטריום, ומי חמצן), ייצר כמגה ג׳אול אחד של אנרגיית לייזר בפעימה בת כמה שניות (1MJ הוא האנרגיה של 2 טון מכונית במהירות של 120 קמ"ש). אולם במחיר הגבוה, הכימיקלים המסוכנים הכרוכים בכך, והיעילות המפוקפקת, תוכנית זו בוטלה ב -1993 ורוב המדינות עברו למערכות סיביים ומצב מוצק כפי שנפרט להלן.

לייזרים סיביים

לייזר סיבים משתמש בסיב אופטי כמתווך (במקום למשל במוט האודם עליו דיברנו קודם).

יתרון של לייזר סיבים על פני סוגים אחרים של לייזרים הוא שאור הלייזר נוצר בתוך סיבים גמישים, והינו הספק תפוקה גבוה בהשוואה לסוגים אחרים של לייזר, עקב יחס השטח הגבוה לנפח של הסיבים. עוצמת קרן הלייזר קשורה לאורך הסיבים, והיותם ארוכים וצרים לא רק יוצר קרן חזקה יותר אלא מאפשר קירור מהיר ויעיל.

fiber laser wrapped on mandrel

לייזרים של מצב מוצק (דיודה)

לייזר הדיודה לא משתמש ב״אור מגרה״ כפי שנעשה ברוב הלייזרים, ובמקום זה מייצר ״פליטה מאולצת״ (stimulated emission) ישירות משכבה מוליכה אופטית (השכבה הצהובה למטה) הנמצאת בין אזורים מסוג n ו- p (השכבה האדומה והכחולה) כפי שנעשה בנורת LED רגילה.

US patent 3245002 for solid state laser

ברוב המקרים מכשירים אלו משתמשים בגירוי חשמלי ולא אופטי על מנת ליצור כמות אלקטרונים ״מוכנים״ (כלומר מעורערים). על מנת ליצור אלומות חזקות ניתן לערום סוללות של דיודות לייזר בודדות .

Laser diode bar stack (Klinger)

מערכות לייזר אמריקאיות

המוביל הנוכחי של מערכות הגנת לייזר הינה מערכת ה- LAWS של חיל הים האמריקני, בה נמצאים כיום שישה לייזרים ריתוך של מצב מוצק במקביל.

US Navy lays down the LAWS

ישנן תוכניות נוספות בארה"ב. מטרת הסוכנות להגנה מפני טילים היא לשים נשק לייזר על מזל"ט בגובה רב וסבולת ארוכה (HALE) עד שנת 2023. מטרת מזל"ט החמוש בלייזר הינה להתקיף אתרי שיגור פוטנציאליים ולהפיל טילים בליסטיים בזמן שהם נמצאים ב"שלב הדחיפה" הפגיע ביותר. למטרה זו, משרד הביטחון מתכנן להוציא 563.5 מיליון דולר על מחקר ופיתוח.

הסוכנות להגנה בפני טילים עוסקת בשתי טכנולוגיות: מערכת לייזר אלקלי עם גירוי של דיודות (DPALS) המתמקדת בבניית לייזר אחד חזק יותר, וכן לייזר סיבים (FCL), המשלב תפוקות של לייזרים קטנים יותר. שתי הטכנולוגיות דורשות כ- 35-40 ק"ג משקל לקילוואט אנרגיה נפלטת, ואילו מנהל הסוכנות ג'יימס סירינג טוען כי "על המקום שאנחנו צריכים להיות בו צריך להיות נמוך 5 ק"ג לקילוואט."

ישראל

נאוטילוס

ה- Nautilus Tactical High Energy Laser (THEL), שיתוף פעולה של ארה"ב וישראל הוקם בשנת 1995 ובוטל בשנת 2006. המערכת הפילה 28 רקטות קטיושה וכמה פגזי ארטילריה בבדיקות, אך הייתה מבוססת על לייזר כימי שהינו בעל בעלויות גבוהות, רגישות לתנאים אטמוספריים וניידות בעייתית.

The late Nautilus (THEL) in action

קרן ברזל

קרן הברזל הוצגה בתערוכה של טכנולוגיות הקשורות לארטילריה אווירית בשנת 2014 ויצאה לפועל באוגוסט 2020. היא מבוססת על לייזר סיבים בעל ״עשרות קילוואט״ של עוצמה, אשר נועד להשמיד רקטות קצרות טווח, ארטילריה, מזל"טים ומרגמות, ויש לו טווח של פחות מ - 7 ק"מ (שזה קרוב מכדי שמערכת כיפת ברזל תוכל ליירט).המערכת מבוססת על חמש שנות מחקר ופיתוח בלייזרים של מצב מוצק והיא פותחה על ידי רפאל, במימון משרד ההגנה הישראלי והאמריקאים. סוללת קרן הברזל הינה ניידת ומורכבת ממכ"ם להגנה אווירית, יחידת פיקוד ובקרה (C2) ושתי מערכות HEL (High Energy Laser).

Iron Beam (Keren Barzel) animations

להב אור

להב אור היא מערכת לייזר המיועדת ליירט בלונים ומזל"טים בוערים ששוגרו מרצועת עזה, והיא בשימוש שוטף של משמר הגבול. על פי הפרטים הקיימים למערכת טווח של 2 ק"מ (1.2 מייל), ביום או בלילה. המערכת משתמשת בלייזר אשר אינו פוגע בראיה בעל הספק נמוך יחסית, ומסוגלת לשרוף בלון או עפיפון.

Light Saber in action

עוד כמה אלטרנטיבות אקזוטיות

החלל - הגבול הסופי

לייזרים בחלל - הרעיון של לייזרים בחלל הוחלף בלייזרים קרקעיים המשתקפים ממראות בחלל. עם שלוש מראות הממוקמות על לוויינים גיאוסטציונרים, לייזר קרקעי (שיכול להיות גדול בהרבה מכל מה שיכול להגיע לחלל) יוכל לפגוע בכל מקום על פני כדור הארץ.

לייזר אלקטרונים

ניתן לתכנן לייזר רנטגן בעל אנרגיה גבוהה באמצעות טכנולוגיה שפותחה עבור מאיצי חלקיקים - undulators, wigglers ובני משפחתם.

מכשירים אלה לוקחים אלומת אלקטרונים במהירות גבוהה ושולחים אותם מתנועעים או מתגלגלים קדימה ואחורה באמצעות מערך מגנטים (ראו איור למטה). התאוצות הכרוכות בכך גורמות לאלקטרונים לפלוט קרינה בכיוונים הניצבים לתאוצה. המרווח הפיזי של המגנטים ומהירות האלקטרונים קובעים את הקרינה שנוצרת, שיכולה להגיע לאור של קרני רנטגן. בסופו של דבר לא בהכרח מדובר בקרן חזקה יותר אלא בקרן רנטגן שיכולה לחדור למקומות אליהם קרן לייזר רגילה לא יכולה.

בואינג פיתחה נשק לייזר אלקטרונים בשנת 2010 אשר הגיע לעוצמה של 14 קילוואט בעלות של 23 מיליון דולר.

מכת פלזמה

פה הרעיון הינו לייצר ערוץ פלזמה על ידי קרן לייזר אינטנסיבית, אשר הופך את כל נתיב קרן הלייזר למוליך חשמלי. ברגע שערוץ אוויר מוליך, הוא יכול להוביל זרם חשמלי לאורכו - כמו כמו ברק מכוון. זה ככל הנראה נבדק בשנת 2012 על ידי הצבא האמריקני בניו ג'רזי. "אם קרן לייזר חזקה מספיק, השדה האלקטרומגנטי שלה חזק מספיק כדי לקרוע אלקטרונים ממולקולות באוויר וליצור פלזמה", אמר ג'ורג 'פישר, המדען המוביל בפרויקט. עם זאת, שאובייקט הנמצא באוויר לא יוכל להוליך חשמל מכיוון שלא יהיה לזרם החשמלי לאן ״להגיע״. פגיעה של קרן לייזר כזו תביא טיל שמנסים ליירט למתח גבוה אשר ישמיד את כל האלקטרוניקה על הטיל ויפוצץ אם חומר הנפץ אם זה רגיש לחשמל.

[1] Report to The American Physical Society of the study group on science and technology of directed energy weapons , Rev Mod. Phys 59, July 1987

For more info:

https://www.cnet.com/pictures/a-brief-history-of-laser-weapons-pictures/