Искусственное планетарное магнитное поле

Согласно этой статье энергия, запасенная в магнитном поле Земли, составляет около$10^{26}$эрг или$10^{19}$J. Согласно Википедии , ежегодное глобальное производство электроэнергии составляет около 20 000 ТВтч, что составляет от$10^{19}$и$10^{20}$Дж, так что на самом деле мы уже производим достаточно энергии, чтобы генерировать магнитное поле Земли.

На самом деле сделать это на спутнике Юпитера было бы еще одной проблемой. Я полагаю, что вы могли бы использовать ядерную энергию, чтобы избежать строительства нефтепровода между Землей и Европой, но даже если бы энергия была доступна, я не знаю, способны ли современные технологии генерировать магнитные поля с такой большой энергией.

Сверхпроводящая токовая петля могла бы помочь. Давайте рассмотрим очень упрощенный анализ создания защитного магнитного поля для Венеры.

Мы собираемся имитировать магнитное поле Земли.

Я мало что знаю о солнечном ветре , поэтому предположу, что сила изменяется по закону обратных квадратов. Кроме того, я предполагаю, что сила магнитного поля, необходимая для планетарной защиты, прямо пропорциональна силе солнечного ветра.

Венера вращается на расстоянии 0,72 а.е. от Солнца. Тогда, чтобы иметь на Венере такую ​​же защиту от солнечного ветра, как сейчас на Земле, магнитное поле должно быть$(1/0.72)^2 = 1.93$раз сильнее, чем поле Земли.

Магнитное поле Земли обычно аппроксимируется как диполь . Магнитное поле при заданном радиусе R и тета магнитной широты определяется выражением$\left|B\right| = \frac{B_0}{R^3} \sqrt{1 + 3\sin^2 \theta }$Тесла

Магнитные поля планет различаются по радиусу и широте. Для целей этого анализа возьмем в качестве эталона значение магнитного поля на полюсе. Другими словами, цель состоит в том, чтобы сделать полярное магнитное поле Венеры достаточно сильным и надеяться, что остальная часть поля также будет достаточно сильной, поскольку это работает для Земли.

подключение$B_0 = 3.12 \times 10^{-5} T$,$R=1$и$\theta = 90 °$, получаем аккуратную фигуру$B_{pole-earth} = 6.24 \times 10^{-5} T$. Требуемый$B_{pole-venus}$потом оказывается$1.2 \times 10^{-4} T$.

Опять же, чтобы упростить расчеты, я собираюсь предположить наличие единственной экваториальной петли сверхпроводника, в результате чего магнитные полюса совпадают с полюсами вращения. Радиус Венеры составляет 6052 км , поэтому длина сверхпроводящего кабеля составляет около$38000 km$.

Теперь магнитное поле одиночного кругового контура тока в точке на оси круга определяется выражением

Поскольку столб находится на уровне земли, выражение немного упрощается, чтобы получить

Решая для тока, получаем

Индуктивность катушки с проводом не имеет точного выражения в замкнутой форме даже в идеальном сценарии, поэтому мы будем использовать приближение Кирхгофа, заданное выражением

Предположим, щедрый дирижер$p = 3 m$радиус. Получаем индуктивность$L = 415 MH$- величина огромная, но вполне ожидаемая с учетом планетарного масштаба.

Наконец, энергия в петле тока определяется выражением$E = \frac{1}{2} L I^2$, что дает значение$1.12 \times 10^{27} J$. Это довольно большое число — очевидно, мы хотели бы получить его из избытка солнечной энергии Венеры.

Инсоляция Венеры, еще одна цифра, которая определенно имеет изменение по закону обратных квадратов, должна быть около${1/0.72}^2 = 1.93$умножить на земную инсоляцию, которая является солнечной постоянной , равной$1362 W/m^2$. Это очень обнадеживает нас$P = 2627 W/m^2$как инсоляция Венеры, и$P \pi R^2 = 3.023 \times 10^{17} W$как общий солнечный бюджет Венеры. Предполагая, что КПД равен 100%, мы видим, что для полной зарядки магнитного поля потребуется около 37 лет. Совсем не тривиально, но, безусловно, практически выполнимо в масштабе тысячелетий.

Приложение : Поскольку и солнечный ветер (предположительно), и инсоляция изменяются обратно пропорционально квадрату расстояния до Солнца, количество лет улавливания солнечной энергии не должно зависеть от расстояния до Солнца. Однако индуктивность контура пропорциональна$R \, \text{ln}R$, а требуемый ток пропорционален$R$, поэтому зависимость требуемой энергии от радиуса ($0.5 L I^2$) больше кубического. Как было предложено RiskyScientist ниже, запуск чисел для Callisto показывает, что для этого потребуется$2.4 \times 10^{22} J$или$0.26 y = 95$дней для солнечной зарядки генератора магнитосферы.

Основные предположения здесь следующие:

1. Дипольное приближение
2. Напряженность полярного магнитного поля
3. Изменение закона обратных квадратов в солнечном ветре
4. Необходимость/достаточность магнитного поля Земли для защиты от атмосферного обдирания
5. Одиночная токовая петля

Большинство из них служат для уменьшения необходимой энергии, так что здесь должна быть некоторая надежда.

Магнитное поле на поверхности проводника равно$154 T$которое намного больше, чем любое поле, созданное человеком. Сверхпроводящий кабель будет занимать объем не менее$38000 \pi p^2 = 1.075 km^3$. взвешивание вокруг$8.6 \times 10^{12} kg$(при условии плотности$8000 kg/m^3$).

Тем не менее, такая петля предлагает критическое преимущество, если когда-либо возникнет индустриальная цивилизация: хранение и передача электроэнергии по всей планете с практически неограниченными скоростями разрядки и зарядки.

Это предполагает, что магнитосфера Земли является минимумом, необходимым для защиты объекта от космических лучей, что на самом деле неверно. Вот что вам нужно выяснить, чтобы рассчитать спутниковую систему, чтобы сделать то, что вы предлагаете.. 1-Какова необходимая минимальная сила магнитного поля, чтобы оно отклоняло практически все космические лучи и солнечный ветер. 2-сколько энергии нужно для генерации поля. 3-количество энергии солнечные коллекторы могут генерировать на таком расстоянии или с помощью радиоизотопных генераторов. 4- сколько спутников потребуется для создания эффективного щита.

Следует отметить, что если для колонизации Марса, чтобы сделать его пригодным для жизни, нам потребуется создать такое поле, поскольку у него нет внутреннего динамо:3, исследователи большого гидронного коллайдера должны быть в состоянии ответить на этот вопрос, загляните на их форумы.

На этой ноте я уверен, что это действительно осуществимо, если вы сможете найти более дешевый способ попасть на орбиту, чем ракеты.

Наиболее осуществимый метод создания искусственного магнитного поля — размещение сотен (если не тысяч) магнитных спутников на орбите целевой луны или планеты, каждый из которых вращается на определенном расстоянии и с определенной скоростью. Спутники такого типа могут используют солнечную энергию в качестве основного источника энергии, что фактически снижает затраты энергии на их глобальную постоянную работу. Однако изготовление и запуск такого огромного количества спутников, безусловно, останется вопросом огромных затрат и ресурсов, над которыми, безусловно, следует подумать.