Impuls elektromagnetyczny (EMP) – internetowe mity i rzeczywistość

Ludzkość po raz pierwszy na poważnie zetknęła się ze skutkami impulsu elektromagnetycznego (electromagentic pulse, EMP) podczas prób z bronią jądrową. Efekty wywarły tak mocne wrażenie na wojskowych, że zaczęto rozważać, czy nie dałoby się wytworzyć EMP za pomocą środków konwencjonalnych, bez użycia broni jądrowej. W miarę upływu czasu ilość elektroniki w zastosowaniach militarnych i cywilnych lawinowo narastała, a wraz z nią i chęć na posiadanie takiej broni. Na dodatek, wraz z miniaturyzacją układów elektronicznych i dążeniem do elektrooszczędności, można odnieść wrażenie, że zwiększa się podatność układów elektronicznych na przepięcia.

Dla powszechnie stosowanych układów mikroprocesorowych zasilanych napięciem od 2 do 5 woltów wystarczy zwiększenie napięcia o 1–2 wolty, aby doszło do zwiększenia prądu ponad dopuszczalne wartości i nieodwracalnego w skutkach przegrzania struktury półprzewodników układów scalonych. Dla pojedynczych elementów półprzewodnikowych, takich jak niektóre rodzaje tranzystorów, zagrożenie stanowią nawet ładunki elektryczności statycznej, gromadzące się na ubraniu z syntetyków. Należy jednak zauważyć, że w całości płytki drukowane z takimi elementami nie są aż tak podatne na lokalne przepięcia.

W poprzednich dziesięcioleciach w miejscu nie stały również układy stabilizacji zasilania elektroniki. Delikatniejsze układy scalone wymagały dokładniejszej stabilizacji, która w razie przepięcia w obwodach zasilania będzie starała się temu przeciwdziałać. Pojawiły się też elementy przeznaczone do ochrony przed przepięciami – warystory, o imponującym czasie reakcji, mierzonym w nanosekundach. Na dodatek, wraz z miniaturyzacją elementów elektronicznych, zmniejszają się odległości między elementami elektroniki na płytkach elektronicznych i tym samym indukcyjność obwodów, co korzystnie wpływa na odporność wobec EMP. Dlatego dyskusyjne jest, czy obecne prawidłowo zaprojektowane płytki drukowane z układami elektronicznymi są bardziej podatne na działanie EMP niż tamte, wyprodukowane 50 lat temu.

Z impulsami EMP mamy do czynienia w życiu codziennym. Mowa o wyładowaniach atmosferycznych. Błyskawicy zawsze towarzyszy impuls EMP słyszalny w radiu w promieniu kilkudziesięciu kilometrów w postaci trzasków, również wtedy, gdy dźwięk grzmotu nie dociera do słuchacza ze względu na odległość. Swoją drogą właśnie dlatego u zarania konstruowania radia podobno zyskało ono przydomek „wykrywacza burz”.

Podczas burzy w chmurach wskutek tarcia się cząsteczek wody, lodu i powietrza tworzą się dodatnio i ujemnie naładowane objętości. Gdy napięcie między chmurami bądź chmurą i ziemią przekroczy określoną wartość, następuje wyładowanie atmosferyczne – błyskawica, podczas której ładunki elektryczne w czasie liczonym w mikrosekundach przemieszczają się niekiedy na znaczne odległości, liczone w kilometrach. Przyjmuje się, że podczas „średniego” wyładowania płynie prąd rzędu 20 kiloamperów, chociaż może on przyjmować dziesięciokrotnie mniejsze i większe wartości. Ze względu na krótki czas trwania zaskakująco mała jest końcowa energia wyładowania – można ją szacować na wystarczającą do zagotowania do temperatury wrzenia mniej więcej jednego litra wody. W przypadku trafienia w drzewo ciśnienie odparowanej wody może rozsadzić pień lub odrzeć część kory. Uderzenia pioruna w linie energetyczne, piorunochrony, maszty są częstym zjawiskiem i równie często EMP towarzyszący pierwotnemu wyładowaniu generuje w pobliskich przewodach wtórne skoki napięcia, osiągające wielkości kilku czy nawet kilkunastu kilowoltów. Stanowią one realne zagrożenie dla urządzeń zasilanych z sieci energetycznych. W skrajnych przypadkach możliwe jest uszkodzenie nawet wyłączonego urządzenia, o ile wtyczka w chwili wyładowania jest włączona do sieci. W internecie można znaleźć masę świadectw uszkodzeń urządzeń elektrycznych i elektronicznych zasilanych z sieci 230 V.

Natomiast nie ma świadectw o uszkodzeniach przenośnych i mobilnych urządzeń elektronicznych przez EMP błyskawicy, chociaż teoretycznie takie uszkodzenia w wyjątkowych wypadkach są możliwe. Dzieje się tak dlatego, że w urządzeniach przenośnych długość przewodników to kilka–kilkanaście centymetrów. Ze względu na małą indukcyjność musiałyby znaleźć się naprawdę blisko prądu wyładowania (mowa o centymetrach), aby doszło do uszkodzeń elektroniki.

Warto w tym kontekście przytoczyć też efekty EMP wytworzonego w rezultacie testu ładunku termojądrowego (kryptonim „Starfish Prime”) w przestrzeni kosmicznej 400 kilometrów nad Pacyfikiem, przeprowadzonego przez USA 9 lipca 1962 roku. Ze wszystkich eksplozji jądrowych właśnie ta wytworzyła najsilniejszy EMP, który swoją siłą zaskoczył naukowców. Potężna energia eksplozji i towarzyszące jej promieniowanie jonizujące wytworzyły ogromne ilości naładowanych elektrycznie cząstek, które ze względu na brak oporu powietrza miały możliwość przyspieszania do prędkości porównywalnych z prędkością światła i rozprzestrzeniania się na tysiące kilometrów. Pole magnetyczne Ziemi uporządkowało je w potoki, potęgując EMP. Ucierpiały linie telegraficzne, telefoniczne i przesyłowe energii elektrycznej na Hawajach, ponad tysiąc kilometrów od miejsca eksplozji. W dostępnych źródłach wspomina się o zgaśnięciu 300 latarni ulicznych i włączeniu się alarmów przeciwwłamaniowych. Nie ma wzmianek o uszkodzeniach przenośnych urządzeń elektronicznych, chociaż były już wówczas popularne radia. Nie ma wzmianek o uszkodzeniach środków łączności radiowej, radarów, chociaż na morzu było wiele statków, a w powietrzu – samoloty. Wiele z nich było znacznie bliżej eksplozji niż Hawaje.

Nie wnikając głębiej w opisy zjawisk fizycznych związanych z generacją i rozprzestrzenianiem się promieniowania elektromagnetycznego, z przytoczonych wyżej przykładów wynika, że destrukcyjny w skutkach impuls EMP o wielkim zasięgu wymaga wielkiego źródła energii, długiej „anteny-nadajnika” i działa na „obiekty-odbiorniki” podobnej długości, w opisanych wyżej przypadkach – wielokilometrowe linie przewodów metalowych. Nie działa na małe, zasilane autonomicznie obiekty elektryczne i elektroniczne. Należy zwrócić uwagę, że rozmiary „nadajnika EMP”, zasięg EMP i rozmiary „odbiornika” muszą być porównywalne, aby wystąpiły efekty destrukcyjne.

Jeszcze jednym źródłem EMP, które może stanowić podobne zagrożenie dla systemów energetycznych, są burze magnetyczne, wywołane przez koronalny wyrzut masy ze Słońca. Wyrzucone w kierunku Ziemi i poruszające się z dużą szybkością masy naładowanych elektrycznie cząstek po dotarciu do naszej planety mogą wywołać EMP, podobny w skutkach jak eksplozja ładunku nuklearnego w przestrzeni kosmicznej. Do podobnej katastrofy doszło 2 września 1859 roku. Powstał „efekt Carringtona” – awarie sieci telegraficznych w Europie i Ameryce Północnej. W przypadku wystąpienia podobnie silnej burzy magnetycznej w naszych czasach mogłoby dojść do masowych awarii sieci energetycznej i uszkodzeń stacjonarnych urządzeń zasilanych z sieci 230 V. Urządzenia zasilane autonomicznie nie byłyby zagrożone.

A czy dałoby się skonstruować urządzenie EMP, którego wymiary byłyby mniejsze kosztem zasięgu, a jednocześnie byłoby w stanie niszczyć elektronikę urządzeń zasilanych autonomicznie?

Wytworzenie EMP nie jest specjalnie trudne i w mikroskali dostępne jest dla każdego majsterkowicza mającego podstawową wiedzę w dziedzinie elektroniki. Wystarczy wytworzyć iskrę, zbliżając do siebie kontakty naładowanego kondensatora. Jeżeli w pobliżu będzie włączony odbiornik radiowy, w głośniku usłyszymy trzask. Wytworzony w ten sposób impuls będzie oczywiście bardzo słaby i trzask w głośniku usłyszymy tylko dlatego, że odbiornik ma antenę i wzmacniacz sygnałów radiowych. Jeżeli zwiększymy napięcie na kontaktach kondensatora bądź jego pojemność, otrzymamy mocniejszą iskrę i tym samym mocniejszy trzask w odbiorniku. Niezależnie od tego, jak bardzo zaawansowany technicznie będzie nasz generator EMP, zawsze będzie on zawierać źródło prądu (w naszym przypadku kondensator) i antenę emitującą EMP (iskrę).

Koronalny wyrzut masy.
(NASA/GSFC/SDO)

W internecie można znaleźć opisy sporo doskonalszych urządzeń – generatorów EMP, określanych przez majsterkowiczów jako „EMP jammer”, które zasadniczo składają się z generatora wysokiego napięcia (źródła prądu) i samodzielnie wykonanej cewki (anteny). Takie urządzenie jest w stanie generować dziesiątki i setki impulsów EMP na sekundę. Działając nim z odległości kilku centymetrów w ciągu kilku–kilkunastu sekund można „usmażyć” bardziej wrażliwe elementy na płytce drukowanej (oczywiście jeżeli nie będą osłonięte metalową obudową, która spełniałaby funkcję klatki Faradaya).

Należy zauważyć, że efektywność działania takich urządzeń maleje wykładniczo wraz ze zwiększeniem odległości naszego „EMP jammera” od obiektu, na którym przeprowadzane są eksperymenty. Bardzo podobnie maleje siła przyciągania między silnymi magnesami stałymi. Dwa złączone neodymowe magnesy z trudem daje się rozłączyć, w odległości kilku centymetrów działa między nimi znacząca siła, która już przy zwiększeniu odległości nieco ponad 10 centymetrów zanika prawie zupełnie. Porównanie jest trafne, bo w obu przypadkach chodzi o natężenie pola magnetycznego. W przypadku cewki „EMP jammera” właśnie jej zmienne pole magnetyczne indukuje destrukcyjne prądy w płytce drukowanej. Zastosowanie wyrafinowanych technicznie komponentów do budowy generatora EMP może dodać dodatkowych kilka centymetrów zasięgu, ale nie sprawi, że nasz „jammer” będzie mógł niszczyć elektronikę z odległości kilkudziesięciu czy kilkuset metrów.

Ponownie należy zauważyć, że rozmiary cewki „EMP jammera” są porównywalne z zasięgiem destrukcyjnego działania i rozmiarami „obiektu-odbiornika” – płytki drukowanej. Oznacza to, że mała „antena-nadajnik” jest zdolna uszkodzić elektronikę, ale ma beznadziejnie mały zasięg działania. Większa „antena-nadajnik” zapewni większy zasięg, ale straci możliwość uszkadzania układów elektronicznych małych rozmiarów. Jeżeli na dodatek układy elektroniczne będą mieć elementarne zabezpieczenia, możliwość celowego uszkodzenia elektroniki impulsem EMP ograniczy się jeszcze bardziej.

Jaki wniosek płynie z tych faktów? Nie da się skonstruować EMP urządzenia o przeznaczeniu militarnym, które jednocześnie: 1) byłoby kompaktowe (powiedzmy: mniej niż jeden metr długości), 2) miałoby rozsądny zasięg działania (kilkanaście metrów) i 3) dawałoby przynajmniej 90-procentową gwarancję zniszczenia każdego urządzenia elektronicznego.

A co z doniesieniami o stosowaniu EMP w konstrukcjach broni, w szczególności w pociskach artyleryjskich?

Słowo „jammer” w nazwie samodzielnie skonstruowanych urządzeń nie pojawia się przypadkowo. Kilkadziesiąt lub kilkaset impulsów na sekundę, emitowanych w bezpośredniej bliskości urządzeń elektronicznych, jest w stanie zakłócić łączność radiową i pracę radarów, ogłupić urządzenia nawigacyjne i inną elektronikę przystosowaną do odbioru fal radiowych. Urządzenia takie mogą mieć małe rozmiary i działać godzinami. Zapewne da się umieścić je w pociskach artyleryjskich lub bombach lotniczych, o ile wytrzymałyby przeciążenia przy wystrzale i upadku. Należy je jednak rozpatrywać jako elementy walki radioelektronicznej, a nie jako efektory zdolne nieodwracalnie uszkodzić elektronikę urządzeń.

Przeczytaj też: B-52 w służbie NASA

Warner Bros.

Reakcja

0%0Pozytywnie0%0Neutralnie 0%0Negatywnie

Twoje emocje

0%0Lubię to!

0%0Super0%0Ekscytujący 0%0Ciekawy0%0Smieszny0%0Smutny0%0Wściekły0%0Przerażony0%0Szokujący0%0Wzruszający0%0Rozczarowany0%0Zaskoczony

Co sądzisz?

0%0Prawda0%0Manipulacja0%0Fake news

0

0Ulub

Oryginalne źródło ZOBACZ