Dajući Marsu magnetosferu

Dodatak „Oblikovanju Marsa“

Problem

Svi daljnji napori na kolonizaciji usmjereni na Mars svi imaju jedan zajednički problem; njihova oslanjanja na nepostojeće magnetsko polje. Marsova magnetosfera zamračila se prije otprilike 4 milijarde godina kad se njezina jezgra učvrstila zbog nemogućnosti zadržavanja topline zbog male mase. Sada znamo da je Mars u svojoj povijesti bio prilično zemaljski. Duboki oceani nekoć su punili sada sušne marsovske doline, a gusta atmosfera nekoć je zadržavala plinove koji su možda omogućili razvoj jednostavnog života. Sve je to štitilo Marsovo prapovijesno magnetsko polje.

Mars je nekad imao oceane! Tada je izgubila magnetska sfera :(

Kad je Marsova magnetska linija obrane pala, veći dio njegove atmosfere je bio razbijen u svemir, a oceani su se smrzli duboko u crveni regolit, a bilo kakva šansa da život napreduje tamo se ugušila. Smanjenje stakleničkih plinova uzrokovalo je pad temperature Marsa, smrzavajući preostalu atmosferu do stupova. Danas je Mars sve samo ne mrtav. Bez magnetskog polja, smrtonosni niz nabijenih čestica sa Sunca svakodnevno bombardira površinu Marsa, prijeteći potencijalima hostinga elektroničkih sustava kao i biološkom životu. Manjak magnetskog polja onemogućava i Mars da zadrži atmosferu ili ozonski omotač, koji štetno djeluju na filtriranje UV i visokoenergetske svjetlosti. To bi činilo da su osnovna načela koja stoje iza oblikovanja planeta potpuno zastarjela.

Rješenje

Pročitao sam puno članaka o potencijalu opskrbe Marsa umjetnim magnetskim poljem. Postavljanjem satelita opremljenog tehnologijom za proizvodnju moćnog magnetskog polja na Marsu L1 (dalekoj orbiti oko Marsa gdje gravitacija od Sunca uravnotežuje gravitaciju s Marsa, tako da satelit uvijek ostaje između Marsa i Sunca), mogli bismo obuhvatiti Mars dobiveni magnetski omotač. Međutim, iako je ideja dobro shvaćena i napisana o njoj, nisam mogao naći čvrst matematički dokaz koncepta za proučavanje stvarne izvodljivosti. Pa sam napravio jedan!

** Ovdje stvari postaju tehničke. Nema sramote u skimmingu da pronađete osnovne rezultate! **

Koncept umjetne marsovske magnetosfere na Marsu L1. Ovdje je bijela točka naš satelit opremljen tehnologijom za proizvodnju moćnog magnetskog polja. Zasluge: NASA / Jim Green.

Zemljino magnetsko polje, koje izvire iz njegove jezgre, ima snagu ~ 6 * 10 ^ -5 Tesla na udaljenosti od Zemljine površine. Ovo je sila koja odbije igle kompasa. To je ujedno i snaga potrebna za obranu naše atmosfere od smrtonosnog solarnog vjetra. Međutim, svemirsko magnetsko polje na Marsu ne mora biti toliko snažno. Prije svega, naš je cilj samo obuhvatiti Mars u magnetnom polju polja; ne treba se protezati sve do Zemlje. Zemljin magnetni prag prostire se na ~ 6 milijuna kilometara. Mars L1 udaljen je samo oko milijun km od Marsa. Naravno, mi ćemo htjeti omogućiti malo slobodnog prostora za potencijalne solarne baklje, ali proširenje polja ~ 1,5 milijuna km vjerojatno je dovoljno.

Druga stvar koju treba uzeti u obzir jest činjenica da je intenzitet sunčevog vjetra na Marsovoj udaljenosti manji od polovine nego na 1 AU. To znači da nam je potrebno samo magnetsko polje upola snažnije od onog koje bismo trebali da obranimo planet na udaljenosti Zemlje od sunca. Uzimajući u obzir oba ova faktora, svemirsko magnetsko polje oko Marsa mora imati samo otprilike 11% snage Zemlje. Ovo će stvoriti magnetski trag dovoljno dugačak da se proteže 500.000 kilometara dalje od Marsa.

Formula za jakost magnetskog polja (B) u Teslasu.

Pomoću jednadžbe magnitude magnetskog polja, sada možemo odlučiti za amperažu "žice" koja je potrebna za proizvodnju takvog polja. To daje struju od oko 200 Mega-ampera. Bilo koji električar trenutno zna da će nam trebati VELIKA ASS žica.

Sljedeći dio izračuna bio mi je vjerojatno najteže zamotati glavu. Da bismo se odlučili za veličinu žice, moramo znati njezin otpor. Da bismo dobili otpor, moramo znati napon koji prolazi kroz žicu. Da bismo pronašli napon, moramo znati ukupnu snagu koja se pumpa u žicu za proizvodnju struje. Ispada da trebamo strateški odabrati ulaz energije magnetskog polja da bismo se riješili bilo čega od toga, jer sve utječe na sve ostalo u izvedbi.

Neke elektroničke jednadžbe. Imajte na umu da, ako znate unesenu snagu (P) i struju (I), možete odlučiti za sve ostalo ovdje s obzirom na određeni materijal.

Budući da želimo da ulazna snaga (P) bude što niža (manje stroge potrebe za svemirskim brodom), također želimo da napon (V), a time i otpor (R), bude nizak. Zadržavanje otpora nisko zahtijeva korištenje žice koja ima najmanju moguću duljinu (L), ali i veliku površinu presjeka (A). Jedina druga nepoznanica koju imamo je otpornost (rho) žice. Otpornost je svojstvo materijala koja određuje njegovu sposobnost odupiranja električnoj struji. I ovu vrijednost želimo zadržati niskom. Bakar je logičan izbor materijala koji se koristi, budući da ga ima i u izobilju i ima vrlo mali otpor - ~ 1 * 10 ^ -8. Možemo smanjiti ovu vrijednost za red veličine niže zadržavajući je na kriogenim temperaturama, što nije teško napraviti u prostoru sa štitnikom od sunca.

Jedina preostala glava je stvaranje žice kratke duljine, velikog presjeka i može stvarati magnetsko polje. Da bismo stvorili magnetsko polje, obično provodimo struju kroz dugu tanku žicu omotanu oko cilindra; solenoid. Međutim, cilj je ovdje napraviti magnet koji ima kratku duljinu i veliki polumjer. Idealno rješenje je tada jednosmerni solenoid, "krafna", ako želite, zamotan tako čvrsto da rupa u sredini ne postoji. To, međutim, ne dopušta da prostor magnetskog polja prođe, te bi na sebi izazvao kontraproduktivnu obrnutu struju. Ako umjesto toga koristimo solenoid s malim otvorom u sredini, optimizirat ćemo otpor žice.

(Lijevo i sredina) Prikaz kako su planetarno magnetsko polje i magnetno polje solenoida s jednom petljom slični. (Desno) Primjer zatvorenog tora (solenoid s jednom petljom), idealno rješenje za sustav minimalnog električnog otpora za generiranje magnetskog polja. Trebat će nam mala rupa u središtu kako bi prošlo naše magnetsko polje.

Sve što nam sada treba je strateški odabrana vrijednost za unos snage za rješavanje za sve ostalo. Ako biste to zaista željeli, mogli biste ošamariti neke standardne solarne ploče na svemirskom brodu i upotrijebiti (relativno) mali ulaz energije za generiranje magnetskog polja veličine planeta. Ovo je loša ideja. Ispada da što je niži vaš unos snage, to veći bakarni solenoid mora nadoknaditi. Čak i kada bi koristio više od 4000 m² 20% učinkovitih solarnih panela, solenoid bi imao veću masu od svih bakra dostupnih u Zemljinoj kori. Da bismo napravili solenoid koji je malen i dovoljno lagan da ga može razumno proizvesti i lansirati na Marsovu orbitu, trebat će nam veliki generator snage.

Suvremeni fisioni reaktori mogu proizvesti više od gigavatne snage, otprilike 1/3 korisne za proizvodnju električne energije. Koristeći to kao predložak, možemo teoretizirati snažan, futuristički reakcijski fisija za opskrbu naše obrambene marsovske magnetosfere. Nakon nekoliko ponavljanja vezanog veličine magnetnog i reakcijskog reaktora, ustanovio sam da je reaktor od 830 megavata idealno rješenje, pretpostavljajući 50% toplinsku učinkovitost. To znači da 415 megavata korisne snage ulazi u solenoid da generira naše magnetsko polje. Sada možemo uspješno riješiti za sve ostale parametre od prije:

Neke rezultate iz MATLAB koda napisao sam jer tko sve to želi napraviti ručno ??

Neke stvari koje treba napomenuti su izuzetno nizak napon za sustav od oko 2 volta, te dimenzije / masa bakrenog solenoida koji izlazi na torus ukupnog promjera ~ 3,5 metra i mase ~ 57 tona. Ovo je velika bakrena krafna. Napunio bi prosječnu površinu dnevnog boravka od zida do zida i težio više od 6x legalne mase natovarenog poluprikolice na autocesti. Na površini solenoida nastaje magnetsko polje od ~ 81 Tesla; gotovo dvostruko jača od najjačeg umjetnog kontinuiranog magnetskog polja ikad proizvedenog do danas. Još jedna stvar koju treba napomenuti jest činjenica da će reaktoru fisije ove veličine biti potrebno preko 40 tona urana svake dvije godine da ostane u pogonu. Ovo je možda najveći problem bilo kojem budućem marsovsko-magnetosferskom poduhvatu, budući da za izlazak na Mars sa Zemlje traje oko 18 mjeseci, a obilje urana na samom Marsu nije poznato.

Još uvijek imamo nekoliko stvari koje se nismo bavili u vezi sa svemirskim brodom. 415 megavata snage ulijeva se u bakreni solenoid magnetskog polja, no 415 megavata dodatne snage istovremeno se pretvara u otpadnu toplinu. Da bismo se riješili ove topline, trebat ćemo moćan sustav termičke kontrole. Zaštita od sunca zaštitit će svemirsku letjelicu od apsorbiranja bilo koje dodatne topline od Sunca, ali još uvijek će nam trebati neke zračne ploče s visokim zračenjem kako bismo oduzeli toplinu iz reaktora. Silicij-karbid ima relativno visoku emisivnost od 0,7, a može dostići temperature od ~ 2000 K bez trpljenja deformacija ili gubitka radijacijske učinkovitosti. Koristeći radijatore od silicijum-karbida koji isijavaju otpadnu toplinu s obje strane, moj dizajn zahtijeva ploče od 325 m². To se odnosi na 4 ploče s kvadratnim dimenzijama od oko 9 metara po strani.

Formula za efektivnu površinu radijatora iz zakona Stephan-Boltzmanna.

Nakon što sam sve to uzeo u obzir, uspio sam donijeti neke procjene o masi takvog broda. Koristila sam aluminijsku zaštitnu zaštitnu površinu s kaptolom debljine 2 cm i promjera dovoljno velikog da blokiram čitavu svemirsku letjelicu od sunčeve svjetlosti, radijatora i sl. Trup za koji sam pretpostavljao da ima debljinu od 5 cm, izrađen je od aluminijskih legura. Kućište reakcijskog cijepljenja je 5 cm čvrstog olova. Takodjer sam se ugradio u dodatnu masu za RCS-ovo manevarsko gorivo, kao i za racunala i elektroniku. Na kraju dana, evo rezultata za dimenzioniranje svemirskih letjelica:

Rezultati određivanja veličine svemirskih brodova. Imajte na umu da se RCS potisno gorivo i vanjska masa tretiraju kao postoci ukupne mase plovila, odnosno suhe mase trupa.

Uopće nije pretjerano smisljeno. Ukupna masa plovila je oko 317 tona. Za to bi bila potrebna 3 odvojena lansiranja na Mars L1 od predloženog BFR-a SpaceX-a, za koji se Musk može pohvaliti da će biti operativan sredinom 2020. godine. Zanimljivo je primijetiti da reaktor fisije i bakreni solenoid čine više od 50% mase svemirskog broda. Da bih pogledao dimenzije svemirskih letjelica, uključio sam sliku mogućeg izgleda za trup i sustave kreirane od strane mog dobrog prijatelja:

Skica svemirske letjelice za određivanje veličine. Dijelovi su u skladu s tim označeni.

Neke teme

Najveći problem ovdje je otprema 40 tona urana na Mars L1 svake dvije godine. To bi se vjerojatno moglo ublažiti razvojem fuzijske snage u relativno bliskoj budućnosti. Drugo je pitanje ogromne razine magnetizma u neposrednoj blizini bakrenog solenoida i zračenja iz reakcijskog cijepanja. Za sprječavanje problema u vezi s tim pojavama bit će potrebno strateško zaštititi elektroničke i računalne komponente svemirske letjelice. Proizvodnja divovskog, bakrenog krafne također se vjerojatno nalazi na popisu izazova s ​​kojima se susreće umjetna marsovska magnetosfera.

Sljedeći potencijalni problem koji nemam pojma kako riješiti (ili će to uopće biti problem) je činjenica da preusmjeravamo nabijene čestice od ~ 500 000 kilometara od sunca koje se kreću 300 km / s direktno u središte bakrene krafne s obje strane. Na Zemlji ove preusmjerene čestice udaraju u atmosferu stupova i stvaraju prekrasan prikaz svjetla poznatih kao Corona Borealis. U našem slučaju nemam pojma što bi se dogodilo. Bez obzira na posljedice, morat ćemo se suočiti s tim!

Zaključak

Cheey MATLAB prikaz produžetka umjetne marsovske magnetoshehe. Znak plavi plus izvor je polja na Marsu L1, a crveni krug je Mars.

Stoga bi se Mars, s više od ~ 300 tona materijala i malo ljudske domišljatosti, mogao još jednom pohvaliti čvrstom obranom od solarnih vjetrova. Takvo bi polje omogućilo da se oko planete uzgaja atmosfera bez prijetnje da će biti odstranjena, te ozonski omotač za obranu od visokoenergetske UV svjetlosti. Elektronski uređaji i biološki entiteti na Marsu napokon bi mogli biti sigurni od beskrajne zapreke protona i elektrona koji odlaze od sunca.

** Ako imate dodatnih pitanja o mojim izračunima ili pretpostavkama, obratite mi se u komentarima ili privatnom porukom. Učinio sam puno više posla nego što sam zapravo pisao ovdje! **