Сколько энергии потребуется магнитному экрану космического корабля?

Да, исследования по защите от энергичных частиц плазмы солнечного ветра с использованием дипольного магнитного поля продолжаются, и, возможно, лучшим свидетельством этого является подача патента на щит космического корабля ⁽¹⁾ в 2010 году, примерно через 2 года после публикации «Физики плазмы». и журнал Controlled Fusion ⁽²⁾ , который был замечен автором той статьи Physics World ⁽³⁾ , на которую вы ссылаетесь, а также нескольких других подобных, например, в Universe Today ⁽⁴⁾ .

Один взгляд на недавнюю публикацию Рут Бамфорд ⁽⁵⁾ , ведущего исследователя и первого цитируемого автора упомянутой публикации, которая послужила поводом для всех этих новостных статей, показывает участие этого ученого в нескольких концептуальных проектах по исследованию космоса, так что я держу пари, что исследование кажется очень много живого. Например, эта статья под названием « Концептуальная архитектура космического корабля для исследования Марса человеком» ⁽⁶⁾ от 2012 года уже демонстрирует участие Boeing и ULA, среди прочих, так что это исследование уже, по крайней мере частично, спонсируется крупными игроками космической отрасли.

Что касается требуемого размера и мощности, наиболее показательным источником является упомянутый патент (номер заявки США 12/990,420) ⁽¹⁾ , цитирующий:

Чтобы обеспечить эффективный экран, напряженность магнитного поля экрана в источнике предпочтительно составляет по меньшей мере 1×10 ^-4 Тесла. Чтобы получить границу между магнитным полем экрана и типичным фоновым магнитным полем солнечного ветра величиной около 1× ^10-7 Тесла (возможно, от 5× ^10-8 до 5× ^10-6Тесла в зависимости от условий солнечного ветра) на расстоянии до нескольких сотен метров от космического корабля, как правило, будет достаточно напряженности поля менее 0,1 Тесла в источнике магнитного поля. С учетом эффектов сохранения поля в плазменной среде средняя электрическая мощность примерно от 100 Вт до 10 кВт и более предпочтительно примерно от 500 Вт до 5 кВт может быть обеспечена источником питания для привода источника магнитного поля для создания магнитного поля экрана. поле.

А размер функциональных элементов описан в статье Universe Today ⁽⁴⁾ как «не больше большого стола».. Конечно, эти заявленные требования к мощности действительно кажутся высокими, но щит не должен постоянно работать на максимальной мощности, а его мощность может изменяться, чтобы соответствовать данным наблюдений удаленных обсерваторий, передающих данные о солнечном потоке на космический корабль. что такое дипольное магнитное поле будет заранее экранирующим. Если я правильно помню, более крупные солнечные вспышки достигают Земли в среднем примерно за полтора дня, так что это примерно ⅔ а.е. в день. И, конечно же, на расстояниях до Солнца, где солнечная погода представляет большую опасность, также есть много солнечной энергии, которую можно использовать с помощью фотогальваники. Для сравнения, солнечные батареи Международной космической станции, хотя и большие и тяжелые, способны генерировать 120 кВт.

Таким образом, кажется возможным, что будущие длительные пилотируемые миссии за пределами магнитного поля Земли могли бы использовать свое собственное, переносное и активное магнитное поле и защищать экипаж от воздействия заряженных высокоэнергетических частиц Солнечного ветра. Возможно, вдобавок к использованию биологической защиты отсеки экипажа будут окружены слоями воды и топлива, как, например, в этом концептуальном проекте исследовательского посадочного модуля для астероида Церера и спутников Сатурна Рея и Япет ⁽⁷⁾ .

Цитируемые источники и рекомендуемое чтение :

1. Патенты Google: Spacecraft Shield, US 20110049303 A1 , Рут Бэмфорд, Роберт Бингэм, 2010 г.
2. Взаимодействие текущей плазмы с дипольным магнитным полем: измерения и моделирование диамагнитной полости, имеющие отношение к защите космического корабля , Р. Бэмфорд и др., Физика плазмы и управляемый синтез, 2008 г. (PDF)
3. Мир физики: магнитный щит может защитить космический корабль , 6 ноября 2008 г.
4. Вселенная сегодня: ионный щит для межпланетных космических кораблей теперь реальность , 4 ноября 2008 г.
5. Google Scholar: Рут Бамфорд , STFC, RAL Space, Лаборатория Резерфорда Эпплтона, Великобритания .
6. Концептуальная архитектура космического корабля для исследования Марса людьми с искусственной гравитацией и мини-магнитосферным радиационным экраном экипажа , М. Бентон и др., Материалы конференции AIAA, 2012 г.
7. Концептуальный проект спускаемого аппарата для исследования астероида Церера и спутников Сатурна Рея и Япет , М. Бентон, Американский институт аэронавтики и астронавтики, 2010 г. (PDF)

Сегодня понедельник, так что позвольте мне немного дождаться этого парада.

Современные конструкции магнитных экранов адекватны для защиты от ионизирующего излучения солнца . Их недостаточно для защиты от галактического космического излучения, которое содержит гораздо больше энергии в каждой частице. Чтобы эффективно заблокировать это, потребуется щит с энергией в 100 раз большей. Если используются параметры щита Бамфорда из ответа TildalWave, то потребуется мощность 500 кВт. Его нельзя модулировать в соответствии с текущими потребностями, он всегда должен быть на этом уровне мощности, потому что GCR колеблется очень медленно в течение солнечного цикла, это не вопрос случайных бурь, подобных солнечному ионизирующему излучению. Масса и энергетические потребности такой системы непомерно высоки. Влияние воздействия магнитного поля такой силы на здоровье человека с течением времени неизвестно.

Оздоровительный эффект космических лучей на уровнях в межпланетном пространстве неизвестен. Воздействие в течение года или двух может только увеличить шансы заболеть раком, или может привести к изнурению, если не сразу, то через несколько лет. Когда у нас будет гораздо больше данных, может оказаться, что достаточно использовать более слабое магнитное поле, которое отклоняет, например, только частицы с энергиями ниже 500 МэВ — это будет большинство частиц. А может и нет.

Смотрите эту статью по теме.

Редактировать: чтобы прояснить потенциальную опасность GCR, вот таблица, взятая из документа, на который ведет вторая ссылка, который является отличным, актуальным кратким изложением этого вопроса:

Экранирование, постулируемое для расчета последнего столбца, составляет 3 г/см ² алюминия... плюс плоть вашего тела, окружающая важные части. Иными словами, они предполагают, что если протон с энергией 400 МэВ сталкивается с молекулой в одной из ваших мышц, это на самом деле не важно, они рассматривают только «кроветворные органы» (которые не включают ваш мозг). Уже одно это, я думаю, говорит о том, насколько наше знание об этом является предварительным.

Также важно иметь в виду, что это экранирование рассчитано на помощь, потому что оно очень тонкое . Потому что это означает, что большинство частиц просто пройдут сквозь весь корабль, как будто его там и не было. Как только одна из этих частиц сталкивается с ядром атома на своем пути, начинаются настоящие проблемы. Они отталкивают новые частицы от этого ядра, усугубляя проблему. Из Приложения E к книге НАСА « Космические поселения: проектное исследование » (отличное введение):

Есть три механизма, которые важны для массового экранирования. Во-первых, заряженная частица возбуждает электроны на многие сотни ангстрем вокруг своей траектории. Это возбуждение извлекает кинетическую энергию с примерно постоянной скоростью для релятивистских частиц и действует как механизм торможения. Для релятивистских протонов в веществе с малым Z этот «линейный перенос энергии»$2 MeV/g*cm^-2$материи. Если толщина массового экрана достаточно велика, частица с конечной кинетической энергией останавливается. Это наименее эффективный механизм экранирования в материи для релятивистских частиц.

Второй механизм — ядерная аттенуация. Для диоксида кремния среднее сечение ядер составляет 0,4 барн ($10^{-24}\ cm^2$). Таким образом, если заряженная частица проходит достаточно далеко в экране (состоящем из диоксида кремния), она сталкивается с ядром и теряет энергию за счет неупругих столкновений с ядерной материей. Мерой того, как далеко должна пройти частица, чтобы иметь существенную вероятность ядерного столкновения, является длина свободного пробега, которая для диоксида кремния равна$106 g/cm^2$. Этот механизм представляет собой экспоненциальный гаситель частиц первичного пучка.

Тенденции ядерного затухания к излучению противостоит создание энергичных вторичных частиц. При каждом ядерном столкновении происходит потеря луча из-за возбуждения ядер и усиление луча (хотя и с общей деградацией энергии из-за увеличения энтропии) из-за вторичных частиц, испускаемых возбужденными ядрами. Эти вторичные частицы, конечно, затухают в результате дальнейших ядерных столкновений с примерно такой же длиной свободного пробега, что и у первичных частиц.

Таким образом, во всех частях гипотетического корабля, где материала больше, чем 3 г/см ² алюминия между вами и космосом, гораздо выше вероятность того, что вы будете поражены повреждающими частицами с этих направлений, если только твердый материал между ними имеет толщину не менее пары метров. Может пройти 5 метров материала, прежде чем каскад частиц, порожденный такими столкновениями, иссякнет из-за рассеивания его кинетической энергии.

Итак, возможно, вы могли бы провести 10 лет в глубоком космосе и получить только максимально допустимую радиацию для карьеры астронавта по данным НАСА, а это значит, что вам не нужно беспокоиться ни о чем, кроме более высокого шанса рака и катаракты. Или, может быть, эта точка зрения слишком солнечная. Мы действительно не знаем. Из статьи Юджина Паркера выше:

По одной из оценок НАСА, около одной трети ДНК в теле астронавта ежегодно разрезается космическими лучами.

Это может быть интересно: ЦЕРН в сотрудничестве с проектом European Space Radiation Super Conducting Shield использует достижения в технологии сверхпроводников для разработки сверхпроводящего магнитного поля для защиты космических аппаратов и их пассажиров. Цель состоит в том, чтобы создать магнитное поле в 3000 раз сильнее, чем у Земли, чтобы защитить астронавтов в области диаметром десять метров, окружающей космический корабль или среду обитания .

Я не могу найти подробную информацию о требованиях к питанию. Но масса «тыквенной конфигурации» составляет 53,8 тонны, и она пассивно охлаждается, поэтому основная мощность будет заключаться только в создании и поддержании магнитного поля в сверхпроводящих магнитах. Я поместил раздел об этом здесь, в моем случае для Moon First , с цитатами, которые мне удалось найти, но я пока не нашел столько.