943. Не так страшен черт как его малюют

Освоение космического пространства. Найден способ защиты от солнечной радиации — до Марса долетим.

07.07.2018

6 тыс. просмотров. Уникальные посетители страницы.
1,8 тыс. дочитываний, 31%. Пользователи, дочитавшие до конца.
6 мин. Среднее время дочитывания публикации.
Мини-магнитосфера прикрывает корабль Enterprise из вселенной «Звёздного пути» от солнечной радиации. Иллюстрация Rutherford Appleton Laboratory.
Мини-магнитосфера прикрывает корабль Enterprise из вселенной «Звёздного пути» от солнечной радиации. Иллюстрация Rutherford Appleton Laboratory.
На сегодняшний день, за всё время космической эры, самыми продолжительными являются лунные экспедиции программы Apollo, во время которых астронавтам не приходилось на долго выходить из под влияния магнитосферы Земли, защищавшей их от воздействия солнечных и космических лучей. А между тем, именно воздействие солнечной радиации является основной препоной на пути к освоению дальнего космоса, чему на канале посвящены несколько очень интересных статей (о перелёте к Марсу и о возможности его освоения).

Как летали раньше?

Если говорить про астронавтов миссии «Аполлон», то им просто повезло, что все экспедиции пришлись на дни минимальной активности Солнца. Случайность вообще многократно играла решающую роль в деле освоения космического пространства. Так, если бы хоть одна из миссий пришлась на серьёзную вспышку, коих в те годы было достаточно, астронавты погибли бы, что немедленно привело бы к досрочному закрытию программы и, возможно, к ещё большей приостановке и без того небыстрого освоения космоса. С Международной космической станцией всё намного проще. Во-первых, магнитосфера её защищает не многим меньше, чем нас на поверхности. Во-вторых, её орбита находится в пределах атмосферы, пусть и сильно разреженной, но всё ещё оказывающей минимальную защиту. А на случай сильных вспышек у космонавтов и астронавтов есть возможность укрываться в отсеке с улучшенной изоляцией.

Крайне разреженный поток солнечного ветра движется со скоростью от 300 до 1200 км/с, что позволяет его частицам легко проникать через стенки корабля, вонзаться в тела астронавтов, повреждая клетки и, что особенно опасно, ДНК. Основная же проблема заключается в том, что величина потока зависит от погоды на Солнце, поэтому в длительных межпланетных миссиях попасть в удачное «окно», как в случае с «Аполлонами», — не представляется возможным. Наращивание слоёв защиты приведёт к настолько сильному увеличению массы корабля, что он его невозможно будет запустить с поверхности Земли, а доков на орбите у нас пока нет.

Даты полётов Apollo (голубые вертикальные линии с номерами экспедиций) и уровни потока протонов от Солнца (жёлтые вертикальные чёрточки). Нелинейная шкала справа — доза радиации в единицах REM. Горизонтальные линии отмечают уровни для сравнения: светло-жёлтая — средняя годовая доза на уровне Земли, жёлтая — годовая доза работников АЭС и других производств, связанных с радиацией, оранжевая — лучевая болезнь, красная — смертельная доза (иллюстрация NASA).
Даты полётов Apollo (голубые вертикальные линии с номерами экспедиций) и уровни потока протонов от Солнца (жёлтые вертикальные чёрточки). Нелинейная шкала справа — доза радиации в единицах REM. Горизонтальные линии отмечают уровни для сравнения: светло-жёлтая — средняя годовая доза на уровне Земли, жёлтая — годовая доза работников АЭС и других производств, связанных с радиацией, оранжевая — лучевая болезнь, красная — смертельная доза (иллюстрация NASA).

Так полетим или стоит забыть о покорении космоса?

Как и в любом другом деле, природа всё придумала за нас, нам бы подсмотреть и повторить, используя свой уникальный дар — интеллект. Раз уж магнитосфера отлично защищает планету от солнечной радиации, почему не повторить это с межпланетным кораблём? Сама идея о создании магнитного пузыря вокруг корабля была высказана лет 50 назад, во время максимального энтузиазма по поводу освоения космического пространства. Её, правда, задвинули, когда расчёты показали, что этот пузырь должен быть порядка 100 километров в поперечнике, чтобы оказаться достаточно эффективным для увода тяжёлых заряженных частиц от корабля.

Слева: простая стальная защита (или из иного плотного материала) недостаточна, даже при толщине в несколько сантиметров. Высокоэнергетические частицы солнечного ветра проникают сквозь неё либо производят вторичную радиацию. Справа: простое магнитное поле заставляет протоны и электроны закручиваться вокруг своих силовых линий. Это разнонаправленное вращение создаёт разделение зарядов, которое генерирует электрическое поле, в конечном итоге тормозящее ионы. Увы, для защиты корабля по такой схеме магнитное поле должно быть очень и очень сильным (иллюстрация Rutherford Appleton Laboratory).
Слева: простая стальная защита (или из иного плотного материала) недостаточна, даже при толщине в несколько сантиметров. Высокоэнергетические частицы солнечного ветра проникают сквозь неё либо производят вторичную радиацию. Справа: простое магнитное поле заставляет протоны и электроны закручиваться вокруг своих силовых линий. Это разнонаправленное вращение создаёт разделение зарядов, которое генерирует электрическое поле, в конечном итоге тормозящее ионы. Увы, для защиты корабля по такой схеме магнитное поле должно быть очень и очень сильным (иллюстрация Rutherford Appleton Laboratory).

И вот только 50 лет спустя международная группа учёных во главе с Рут Бамфорд (Ruth Bamford) из британской лаборатории Резерфорда и Эплтона (Rutherford Appleton Laboratory — RAL) решила вернуть разработку из мира фантастики в стан академической науки, разработав проект «Мини-магнитосферы» (Mini Magnetosphere). Учёные, пораскинув мозгами, пришли к выводу, что ни чистый магнитный барьер, ни чистая электростатическая защита или «голый» плазменный барьер не справились бы с задачей защиты космического корабля, и для этого необходимо создавать миниатюрный аналог магнитосферы Земли. Так, мини-магнитосфера сочетает в себе магнитное поле с плазменным барьером, контролируемым этим самым полем. Помимо этого специалисты учли и взаимодействие с магнитным полем Солнца, которое распространяется даже до Земли, и, как следствие, будет сопровождать космических путешественников на протяжении всего перелёта к Марсу.

С учётом взаимодействия всех ингредиентов (потока высокоскоростной плазмы от Солнца, плазмы в барьере вокруг корабля, магнитного поля Солнца и поля корабля, а также токов, наводимых в плазме) магнитный щит может генерировать компактную диамагнитную полость вокруг космического аппарата, в которую солнечные космические лучи проникать практически не будут (иллюстрации Rutherford Appleton Laboratory).
С учётом взаимодействия всех ингредиентов (потока высокоскоростной плазмы от Солнца, плазмы в барьере вокруг корабля, магнитного поля Солнца и поля корабля, а также токов, наводимых в плазме) магнитный щит может генерировать компактную диамагнитную полость вокруг космического аппарата, в которую солнечные космические лучи проникать практически не будут (иллюстрации Rutherford Appleton Laboratory).

Учёным стало понятно, что подобный щит должен включать в себя все три активные защиты, рассмотренные ранее (плазменную, магнитное и электрическое поля). Ещё в 2008 году участники проекта провели компьютерное моделирование, показавшее, что магнитный пузырь с поперечником порядка всего сотни метров мог бы закрыть экипаж от действия солнечной радиации, а затем подтвердили это экспериментально, с использованием прототипа мини-магнитосферного генератора.

Схема установки (иллюстрация Rutherford Appleton Laboratory).
Схема установки (иллюстрация Rutherford Appleton Laboratory).

Очень интересным является тот факт, что искусственная магнитосфера показала способность к саморегуляции, подобно магнитосфере Земли.

«Когда она получает сильный толчок от плазмы, пузырь становится меньше. Видео показывает, что по мере повышения давления «солнечного ветра» щит становится меньше, но при этом ярче», — рассказывает Рут Бамфорд.

Максимально подробно о том опыте рассказано в статье, опубликованной в журнале Plasma Physics and Controlled Fusion.

Несколько кадров опыта. Вверху: поток плазмы идёт слева. В ходе тестов учёные плавно меняли как энергию плазменного луча, так и положение защитного поля «корабля». Граница крошечной искусственной магнитосферы исправно смещалась в соответствии с балансом сил. Ударный фронт в месте резкого торможения плазмы визуализировался благодаря световой эмиссии, происходящей главным образом от взаимодействия плазмы с нейтральным газом (на врезке поток идёт справа). Внизу: вид на защитный пузырь сверху с наложением цвета, показывающего плотность плазмы (фотографии и иллюстрация Rutherford Appleton Laboratory).
Несколько кадров опыта. Вверху: поток плазмы идёт слева. В ходе тестов учёные плавно меняли как энергию плазменного луча, так и положение защитного поля «корабля». Граница крошечной искусственной магнитосферы исправно смещалась в соответствии с балансом сил. Ударный фронт в месте резкого торможения плазмы визуализировался благодаря световой эмиссии, происходящей главным образом от взаимодействия плазмы с нейтральным газом (на врезке поток идёт справа). Внизу: вид на защитный пузырь сверху с наложением цвета, показывающего плотность плазмы (фотографии и иллюстрация Rutherford Appleton Laboratory).

P. S.

С момента появления первого прототипа прошло уже 10 лет. Бамфорд давала прогноз в 10-15 лет на то, чтобы создать установку, готовую к испытаниям, скажем, на МКС. Таким образом, если всё идёт по плану, в ближайшие несколько лет мы услышим об испытаниях нового образца генератора мини-магнитосферы. А за оставшееся время потребуется решить ещё целый ряд вопросов: максимально сократить размер и вес установки, а также увеличить её надёжность.

«Я не думаю, что установка сократится вплоть до всего лишь магнита для холодильника, закреплённого на внешней поверхности космического аппарата», — смеётся Рут.

Предыдущие статьи цикла:

1. Освоение космического пространства. Предел связи.

2. Освоение космического пространства. Возможна ли колонизация далёких планет современными технологиями?

https://zen.yandex.ru/media/scikit/osvoenie-kosmicheskogo-prostranstva-naiden-sposob-zascity-ot-solnechnoi-radiacii—do-marsa-doletim-5b406c6eb4639600aac85922

Добавить комментарий

Кто хочет, помогая спасти Человечество от исчезновения во вселенной, стать триллионером, регистрируйтесь на сайте mirah.ru!🙂