Почему нельзя использовать постоянные магниты для радиационной защиты в космосе?

Постоянные магниты довольно тяжелые и имеют такое распределение напряженности поля во времени, что они медленно теряют свой магнетизм. В некотором смысле они на самом деле не являются «постоянными» за пределами определения, означающего, что их напряженность поля ухудшается очень медленно и не требует внешнего источника питания.

Электромагниты также тяжелые, но их конструкция может быть намного легче, чем у постоянных магнитов. Это включает в себя добавление небольшого источника питания. Их сила может быть настроена динамически, в зависимости от доступной мощности. Таким образом, они могут выжить, пока их источник энергии.

Электромагниты имеют меньший вес, настраиваемый выходной сигнал и цикл технического обслуживания, позволяющий избежать повторного намагничивания или громоздкой замены. В настоящее время эти преимущества, по-видимому, имеют более высокую ценность, чем энергия, необходимая для их работы.

Настоящие проблемы вступают в игру, если принять во внимание размер и силу магнитного поля, необходимого для обеспечения защиты в космосе. Я не уверен, что современные инженеры могут создать такое поле, поскольку Земля является современной моделью для сравнения.

Борьба с магнитным износом...

Это распространенное заблуждение, что постоянный магнит действительно постоянен. Элементы постоянного магнита выравниваются в процессе намагничивания магнита . Это создает однородный домен выровненных элементов, которые создают магнетизм. Космические лучи и другие помехи время от времени попадают на эти элементы, выбивая их из равновесия. По мере смещения элементов поле ослабевает.

графики мощности некоторых коммерческих электромагнитов

номинальная мощность некоторых коммерческих постоянных магнитов

Магнитное экранирование не защищает от гамма-лучей и нейтронов, поэтому может потребоваться некоторая защита, например, питьевая и сточная вода в двойном корпусе. несколько дюймов воды могут сократить это излучение почти наполовину, а также усилить любое магнитное экранирование. Экипаж будет иметь как питьевую, так и сточные воды, поэтому используйте то, что у вас есть, для защиты. Топливо также может быть хорошим щитом. Солнечная энергия для магнитного экрана находится в изобилии внутри марсианско-солнечной сферы. Для того, чтобы отправиться в пояс астероидов и дальше, солнечной энергии не так много. Тонкопленочные паруса на солнечной энергии могут быть легкими и могут разворачиваться в межпланетном полете.

Как мы узнали из предыдущих экспериментов, сбор энергии с парусов должен осуществляться тщательно спроектированным способом, чтобы не нагружать и не разрушать паруса. Это особенно верно в данном случае, поскольку мы создаем сильное магнитное поле, которое создаст силу на любых проводах с током. Чтобы еще больше усложнить ситуацию, выброс массы роговицы вызовет искажение поля, которое вызовет токи в этих проводах, что может привести к взрыву цепей и даже расплавлению проводов.

Кроме того, алюминий в корпусах усугубляет проблемы излучения космических частиц с вторичными частицами, поэтому углеродное волокно с полиэтиленом, возможно, будет предпочтительным материалом для корпуса. Во время выброса солнечной корональной массы ракета может поворачивать хвост к Солнцу, чтобы уменьшить воздействие на экипаж. На самом деле, они, скорее всего, будут делать это на протяжении всего полета, чтобы защитить себя от солнечной радиации в целом, которая является направленным основным источником излучения. Кроме того, они могут получить дополнительный фотонный толчок от солнечных парусов.

Конечно, все это спекулятивно. Вам нужны цифры, и я надеюсь, что они есть у НАСА и SpaceX. Я уверен, что многие люди захотят отправиться в путешествие на Луну или Марс, даже если это сократит их жизнь, как это произошло с астронавтами Аполлона. Я думаю, что у SpaceX правильная идея, которая заключается в том, чтобы добраться туда быстро, чтобы уменьшить ваше воздействие и вещи, которые вам нужно нести, такие как еда и накопленный мусор. Нет, вы не выбрасываете мусор за борт.

Я мог бы назвать еще две причины:

1. Практичность установки и гибкость : Вы хотите, чтобы ваши магниты были сильными. Но сильные постоянные магниты неприятны в установке (вы когда-нибудь пытались вытащить один из этих мини-супермагнитов с поверхностным полем 1 Тл из вашего холодильника?), и поэтому очень трудно достичь произвольной формы поля.
   Если вам нужен хороший, изготовленный по индивидуальному заказу высокопольный прибор, который не будет мешать внутренней части вашего космического корабля и защитит его снаружи, то электромагниты просто необходимы.

Остается вопрос, зачем вам использовать постоянные магниты, если вы можете просто включать и выключать их? Таким образом, вы сможете более гибко реагировать на ситуации с повышенным потоком протонов от солнца по сравнению со спокойной фазой. Мне кажется умнее.

2. Экранирующие свойства : Экранирование частиц с помощью магнитных полей работает за счет эффекта магнитного зеркального отражения . Приравнивание кинетической энергии частицы и магнитной энергии используемого диполя$\mu B$, можно оценить экранирующие свойства.
   Затем немного математики показывает, что поле силой 1 Тл с дипольным моментом$0.01-0.1 Am^2$(Я не искал тщательно типичные значения, только просмотрел один результат Google ) может отталкивать частицы размером до$10^{18}eV$энергии, которой, согласно энергетическому спектру космических лучей , было бы достаточно, чтобы отклонить большую часть потока космических лучей.

Но имейте в виду, что значение 1T, которое я выбрал здесь только для упрощения расчетов, является абсурдно высокой напряженностью поля. Крупномасштабное магнитное поле на корабле имело бы на порядки меньше$\mu$а также$B$.
И тогда это, вероятно, сможет экранировать поток солнечных частиц, но не галактических частиц (которые наносят на порядки меньший ущерб, поскольку их поток ниже).