De kans bestaat dat in 2023 voor het eerst in een militair conflict een laserkanon gebruikt wordt tegen een drone. In Nederland doet TNO onderzoek naar de toepassing van laser als een wapen.
In sciencefictionfilms is het een fluitje van een cent. Onze held drukt op een knop en een fraai gekleurde lichtbundel schiet door de ruimte. Een paar tellen later explodeert een vliegtuig of ruimteschip vol ‘bad guys’ met een geweldige knal. 1-0 voor de ‘good guys’.
In werkelijkheid blijkt het schieten met direct energy weapons (DEW’s) een stuk lastiger. Ga maar na: je moet met een zeer geconcentreerde lichtbundel gedurende een aantal seconden met voldoende vermogen een kwetsbaar doel raken zo groot als een pepermuntje dat op een trillend object zit dat met een snelheid van meerdere Machs door de atmosfeer kruist. Geen wonder dat de miljarden die zijn geïnvesteerd in laserwapens tot nu toe weinig hebben opgeleverd. Toch komt daar verandering in.
“Een typisch geval van overkill”, zo beschreef de Amerikaanse generaal David Perkins in 2017 het nieuws dat een niet nader genoemde bondgenoot van de VS een drone van 200 dollar zou hebben neergeschoten met een Patriot raket van 2.4 miljoen dollar. Inderdaad, generaals zijn ook boekhouders. De eveneens ongenoemde vijand zou zo met een dozijn goedkope drones in staat zijn het volledige arsenaal aan Patriots van de betreffende bondgenoot uit te putten. Perkins suggereerde een betere verdediging tegen drones: een laserwapen.
Verschillende landen en bedrijven steken veel geld in de ontwikkeling van solid-state laserkanonnen. Ze kosten per stuk miljoenen euro’s. Daar staat tegenover dat ieder schot met een laser van 10 tot 30 kW niet meer 1 à 2 euro aan elektriciteit kost, en dat maakt het dan een financieel aantrekkelijke verdediging tegen relatief trage drones. In mei van dit jaar pochte de Russische onderminister Yury Borisov dat het Russische laserwapen Zadira met succes een drone van de Ukraine had neergeschoten. Amerika zag er geen bewijs voor en de Ukrainse president Zelensky noemde het ‘pure propaganda’.
Toch zijn de eerste laserkanonnen klaar om te schieten. De Amerikaanse USS Preble beschikt over HELIOS, een 60kw laserkanon van Lockheed Martin. Hetzelfde bedrijf overhandigde in augustus van dit jaar een 300kW laser aan het Amerikaanse leger. Het systeem gebruikt infrarood sensors om een doel te vinden. Israël maakte in juni van dit jaar bekend een prototype te hebben van een high-power laser die voor ca 3 euro per schot niet alleen drones maar ook raketten en mortiergranaten uit de lucht schiet. Bij een oefening op 30 augustus jl. schoot een laserkanon van het Duitse fregat Sachsen een aantal drones uit de lucht boven de Baltische zee.
Schieten met licht
In Nederland heeft TNO een opdracht van het ministerie van defensie om zowel zelfstandig als in samenwerkingen met anderen de kennis te verzamelen voor de ontwikkeling van laserwapens en ook de kennis die nodig is voor de verdediging tegen zulk schietgerei. Aangezien het om zeer vertrouwelijke informatie gaat laat Maarten Lörtzer, woordvoerder van TNO, weten alleen schriftelijk te kunnen reageren op vragen van het Technisch Weekblad over het onderzoek dat zijn organisatie doet met een 30kW laser die opgesteld staat in een TNO-laboratorium in Ypenburg.
In sciencefiction films zien we hele ruimteschepen exploderen na een voltreffer met een high-energy beam. In de werkelijkheid zal een laserwapen alleen gebruikt kunnen worden om zeer specifieke, kwetsbare onderdelen van een doel te treffen. Het gaat dan om het beschadigen van elektronica, sensors of structureel belangrijke onderdelen zonder welke het doel niet langer kan opereren. TNO onderzoekt dan ook de interactie tussen de laserbundel en verschillende materialen. Uiteindelijk gaat het om de vraag hoe lang en met hoeveel vermogen een specifiek doel op x kilometer afstand geraakt moet worden om het effectief te beschadigen.
Tot een aantal jaren geleden werden voornamelijk experimenten gedaan met chemische lasers. Volgens Jasper Heeren, Senior Business & Innovation Consultant bij TNO, is dit een van de redenen waarom de laser als wapen niet echt van de grond kwam. De benodigde chemicaliën, waaronder chloor en waterstofperoxide, zijn giftig en het hele proces bleek te onpraktisch om mee te werken. Het leeuwendeel van de ontwikkelingen op het gebied van laserwapens maakt nu gebruik van glasvezel om een laserbundel met een enkele golflengte te produceren. Grotere vermogens worden mogelijk door meerdere lasers te combineren.
Het is uitermate moeilijk om een geconcentreerde laserbundel die met de snelheid van het licht voortbeweegt over een afstand van een paar kilometer te richten op een bewegend doel. Hiervoor zijn zeer nauwkeurige computergestuurde camera- en stabilisatiesystemen nodig. Hoe meer obstakels – wolken, waterdruppels, stofdeeltjes, verontreiniging – er in de atmosfeer zijn, hoe meer de laser verstrooit en hoe moeilijker het is een doel vast te houden. Onder slechte weersomstandigheden met veel bewolking is een laserkanon onbruikbaar. Het zal daarom nooit als enige verdedigingswapen worden gebruikt.
Een specifiek probleem van een laserkanon is ‘thermal blooming’. Dit effect treedt op wanneer de laserbundel zelf de atmosfeer zodanig verhit dat deze als een divergerende lens gaat werken. Dit gebeurt vooral bij zwaardere lasers met een energiedichtheid van meer dan 1 megajoule per cm3 en manifesteert zich sneller bij veel atmosferische absorptie, dus wanneer er veel deeltjes in de atmosfeer zijn. Volgens Jasper Heeren kan de ervaring die TNO reeds heeft met lasertoepassingen voor satellietcommunicatie helpen bij het vinden van oplossingen voor de problemen die atmosferische storingen en thermal blooming veroorzaken.
Tegenmaatregelen
TNO adviseert het ministerie van defensie ook hoe personeel, burgers en materieel te beschermen tegen laser. Dat betekent dat TNO ook kijkt naar de risico’s waaraan de gebruikers van een laserwapen zijn blootgesteld. Wat is bijvoorbeeld de kans dat het doel een deel van de laserbundel reflecteert om vervolgens de eigen troepen te raken? Gereflecteerd licht kan de huid verbranden en ogen onherstelbaar beschadigen. Volgens een verdrag van de VN mogen laserwapens nooit ingezet worden met het expliciete doel mensen blind te maken.
Een laser beweegt met de snelheid van het licht. Reactieve bescherming, gebaseerd op het waarnemen van de laser, heeft daarom minder zin. Er is immers nauwelijks tijdsverschil tussen de druk op de knop en het raken van het doel. Defensieve maatregelen kunnen bestaan uit het aanbrengen van reflecterende materialen of van opofferingslaagjes die het effect van een laser vertragen en zo de overlevingstijd van dat doel verlengen. Een andere strategie kan zijn het verspreiden van deeltjes in de atmosfeer rondom een doel, zoals een rookscherm, die de energie van de laser verzwakt.
De koeling is een van de grootste problemen bij de integratie van laserwapens in verschillende militaire platforms. Zelfs met een zeer efficiënte solid-state laser wordt hooguit 30 tot 40 procent van de door een accu of generator geleverde elektriciteit omgezet in de laserbundel. De rest van de energie wordt geconverteerd in warmte die moet worden afgevoerd. Een 30kW laserkanon met een adequaat koelsysteem is daarom al gauw zo groot als een flinke personenwagen. Voor oorlogsschepen is dit uiteraard geen probleem, maar militaire voertuigen en gevechtsvliegtuigen hebben hiervoor domweg geen ruimte.
In de VS heeft DARPA, een arm van het Ministerie van Defensie die zeer geavanceerd onderzoek stimuleert, de opdracht uit te vogelen hoe het toch mogelijk is een high-power laserwapens van zo’n 150kW te plaatsen in militaire voertuigen en vliegtuigen. De grote vraag daarbij is uiteraard hoe de problemen van koeling en ruimte omzeild kunnen worden. DARPA subsidieert daarom HELLADS (High Energy Liquid Laser Area Defense System) een zeer gewaagde benadering van General Atomics en Boeing die een 150 kW vloeistoflaser gebruikt. Bij deze laser stroomt een koelvloeistof door kanaaltjes die zijn geïntegreerd in een vastestoflaser, een systeem dat aanzienlijk minder restwarmte produceert.
Laser tegen hypersone raketten?
De Amerikaanse admiraal Michael Gilday, hoofd van de US Missile Defense Agency, zei in augustus van dit jaar dat Amerika DEW’s wil ontwikkelen als verdediging tegen de nieuwste hypersone raketten die zijn ontwikkeld door Rusland en China. Het gaat om raketten die niet alleen met een snelheid van meer dan Mach 5 laag boven de grond vliegen, maar daarnaast nog eens zeer manoeuvreerbaar zijn. Rusland heeft zijn supersone Kinzhal raket al gebruikt tegen de Ukraine. China deed in de zomer van 2021 een eerste test met zo’n supersone raket.
Momenteel is geen enkel systeem in staat hypersone raketten, die ook uitgerust kunnen worden met kernkoppen, te vernietigen. Daarom zijn de ontwikkeling van high-power laser en microgolf wapens volgens Gilday een Amerikaanse prioriteit. Mocht het lukken zo’n wapen te ontwikkelen, en dat is nog maar de vraag, dan zou de lancering van zo’n hypersone raket eerst gesignaleerd moet worden door een satelliet en vervolgens onschadelijk gemaakt moeten worden door een laser of schot met een microgolfwapen. Het neerhalen van zo’n raket is echter van een heel andere orde dan het beschadigen van een drone. Voor een laserkanon zal het dan vooral een mooie, wolkeloze dag moeten zijn.
