Dajući Marsu magnetosferu

Dodatak „Oblikovanju Marsa“

Problem

Svi budući napori na kolonizaciji usmjereni na Mars svi imaju jedan zajednički problem; njihova oslanjanja na nepostojeće magnetsko polje. Marsova magnetosfera potamnila je prije oko 4 milijarde godina kad se njezina jezgra očvrsnula zbog nemogućnosti zadržavanja topline zbog svoje male mase. Sada znamo da je Mars u svojoj povijesti bio prilično nalik Zemlji. 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 magnetosferu :(

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 da Mars zadrži atmosferu ili ozonski omotač, koji štetno djeluju na filtriranje UV i visokoenergetske svjetlosti. Ovo 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 pronaći čvrst matematički dokaz koncepta koji bih proučio za stvarnu izvedivost. 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 za kompas. 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 proteže se do ~ 6 milijuna kilometara. Mars L1 udaljen je samo oko milijun km od Marsa. Svakako 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 toliko moćno koliko bismo trebali da obranimo planetu na udaljenosti Zemlje od sunca. Uzimajući u obzir oba ova faktora, magnetsko polje oko Marsa u svemiru mora imati samo otprilike 11% jačine Zemljine 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.

Koristeći jednadžbu magnetskog polja magnetske vrijednosti, 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 snagu ulaza magnetskog polja kako bismo se riješili bilo čega od toga, jer sve utječe na sve ostalo u izvedbi.

Neke elektroničke jednadžbe. Imajte na umu da ako znate unos snage (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 nikakav prostor da magnetska polja prolaze, te bi na sebi izazvalo kontraproduktivnu obrnutu struju. Ako umjesto toga koristimo solenoid s malim otvorom u sredini, optimizirat ćemo otpor žice.

(Lijevo i sredina) Prikaz sličnosti planetarnog magnetskog polja i magnetskog polja magnetnog polja s jednostrukom snopom. (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 ste 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 učinkovitih solarnih panela, solenoid bi imao veću masu od svih bakra dostupnih u Zemljinoj kori. Da bismo napravili solenoid koji je dovoljno malen i 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 raditi rukom ??

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. Ispunio 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, jer uspostavljanje Marsa sa Zemlje traje oko 18 mjeseci, a obilje urana na samom Marsu nije poznato.

Još uvijek imamo nekoliko stvari o kojima se nismo bavili. 415 megavata snage ulijeva se u bakreni solenoid magnetskog polja, ali se 415 megavata dodatne snage istovremeno 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 izvukli 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 325 m² ploča. 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. Koristio sam aluminijsku zaštitnu zaštitnu površinu obloženu Kaptonom, 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. Takoder 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 sredstvo 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 napomenuti 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 svemirskog broda 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.

Još jedno potencijalno pitanje koje nemam pojma kako riješiti (ili će to uopće biti problem) jest činjenica da preusmjeravamo naboje čestica od oko 500 000 kilometara od sunca koji 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 magnetoshe. 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 sunčevih 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 bare protona i elektrona koji se susedaju 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! **