Marsnak magnetoszférát adni

Kiegészítés a „Terraforming Mars” -hoz

A probléma

A Marsra irányuló jövőbeli gyarmatosítási erőfeszítéseknek mind egy közös problémája van; a nem létező mágneses mezőre való támaszkodásuk. A Mars magnetoszféra körülbelül 4 milliárd évvel ezelőtt elsötétült, amikor a magja megszilárdult, mivel kis tömeg miatt nem képes hőt visszatartani. Most már tudjuk, hogy a Mars története során meglehetősen földszerû volt. A mély óceánok egyszer megtöltötték a most száraz marsi völgyeket és a sűrű légkört, amikor visszatartották a gázokat, amelyek lehetővé tehetik az egyszerű élet kialakulását. Mindezt a Mars őskori mágneses mezője árnyékolta.

A Marsnak óceánjai voltak! Aztán elvesztette magnetoszféráját :(

Amikor a Mars mágneses védelmi vonala leesett, légkörének nagy részét elrepedték az űrbe, óceánjai mélyen megfagytak a vörös regolitba, és az élet esélye elfojtódott. Az üvegházhatású gázok csökkentése miatt a Mars hőmérséklete zuhanni kezdett, megfagyasztva a maradék légkört a pólusok felé. Ma a Mars csak halott. Mágneses mező nélkül a Nap töltött részecskéinek halálos tömege bombázza a Mars felszínét minden nap, veszélyeztetve az elektronikus rendszerek és a biológiai élet tárhelyét. A mágneses mező hiánya miatt a Mars nem képes megőrizni egy olyan légkört vagy ózonréteget, amelyek károsak az UV és nagy energiájú fény kiszűrésében. Úgy tűnik, hogy ez teljesen elavulná teszi a bolygó tereprendezésének alapelveit.

A megoldás

Sok cikket olvastam arról, hogy a Mars milyen mesterséges mágneses teret biztosíthat. Ha egy olyan műholdat helyezünk el, amely erőteljes mágneses mezőt hoz létre a Mars L1-nél (egy távoli pálya a Mars körül, ahol a Nap gravitációja kiegyensúlyozza a Mars gravitációját, úgy, hogy a műholdas mindig a Mars és a Nap között maradjon), bevonhatjuk a Marsot a kapott mágneses hüvely. Annak ellenére, hogy az ötlet jól megértett és megfogalmazódott, nem találtam szilárd matematikai bizonyítékot a koncepció tényleges megvalósíthatósága szempontjából. Tehát én készítettem egyet!

** Itt a dolgok technikai jellegűvé válnak. Nincs szégyen az átvágásnak az alapvető eredmények megtalálásához! **

Koncepció egy mesterséges marsi magnetoszféra számára a Mars L1-en. Itt a fehér pont a műholdunk, amely technológiával van felszerelve egy erős mágneses mező előállításához. Hitel: NASA / Jim Green.

A Föld mágneses mezőjének, amely a magjából származik, erőssége ~ 6 * 10 ^ -5 tesla a Föld felszínének távolságra. Ez az erő irányítja az iránytű tűket. Ez az erő is szükséges ahhoz, hogy légkörünket megvédjük a halálos napszél ellen. Mindazonáltal, a űr alapú mágneses mezőnek a Marson nem kell, hogy legyen elég erős. Először is, célunk csak az, hogy a Marsot a mező magnetoszheath-jébe vonjuk be; nem kell kiterjesztenie, amennyire a Föld teszi. A Föld magnetosheathja ~ 6 millió kilométerre terjed ki. A Mars L1 csak kb. 1 millió km-re fekszik a Marstól. Természetesen meg akarjuk engedni némi mozgásteret a potenciális napsugárzás eseményeinek, de valószínűleg elegendő a terep kiterjesztése ~ 1,5 millió km-re.

Egy másik szempont, amelyet figyelembe kell venni, az a tény, hogy a napsugaras szél intenzitása a Mars távolsága alatt kevesebb, mint a fele az 1 AU-nál. Ez azt jelenti, hogy csak egy fele olyan erős mágneses mezőre van szükségünk, amelyre szükségünk lenne egy bolygó megvédésére a Földtől a Naptól való távolságra. Mindkét tényezőt figyelembe véve, a Mars körüli űrtartalmú mágneses mező erősségének csak körülbelül 11% -ának kell lennie a Föld erősségénél. Ez olyan hosszú ideig tartó magnetosheathot hoz létre, amely 500 000 kilométert megtesz a Marson túl.

Képlet a mágneses mező erősségére (B) Teslasban.

A mágneses térerősség-egyenlet segítségével megoldhatjuk az ilyen mező előállításához szükséges „huzal” amplitúdóját. Ez kb. 200 Me-amper áramot eredményez. Bármelyik villanyszerelő tudja, hogy BIG ASS vezetékre lesz szükségünk.

A számítások következő része valószínűleg a legnehezebb dolog volt, hogy körbefordítsam a fejem. A huzal méretének megválaszolásához tudnunk kell annak ellenállását. Az ellenállás megszerzéséhez tudnunk kell a vezetéken futó feszültséget. A feszültség megkereséséhez tudnunk kell, hogy a vezetékbe pumpáljuk-e az áramot. Kiderül, hogy stratégiailag ki kell választanunk a mágneses mező bemeneti energiáját annak megoldására, mert minden a bevezetésben mindent befolyásol.

Néhány elektronikai egyenlet. Ne feledje, hogy ha ismeri a tápfeszültséget (P) és az áramot (I), itt minden másra megoldhat egy adott anyagot.

Mivel azt akarjuk, hogy a bemeneti teljesítmény (P) a lehető legalacsonyabb legyen (az űrhajók kevésbé szigorú teljesítményigényei), azt is szeretnénk, ha a feszültség (V) és ezáltal az ellenállás (R) alacsony legyen. Az ellenállás alacsony tartása érdekében vezetéket kell használnunk, amelynek a lehető legkisebb legyen (L), de nagy keresztmetszetű is (A). Az egyetlen másik ismeretlen a huzal ellenállása (rho). A ellenállás egy anyag tulajdonsága, amely meghatározza az elektromos ellenállás képességét. Ezt az értéket is alacsonyan akarjuk tartani. A réz a felhasznált anyag logikus választása, mivel egyaránt bőséges és nagyon alacsony ellenállású (~ 1 * 10 ^ -8). Körülbelül nagyságrenddel alacsonyabbá tehetjük ezt az értéket, ha kriogén hőmérsékleten tartjuk, amit a napfényvédővel nem nehéz megtenni az űrben.

Az egyetlen fennmaradó összecsapás egy huzal létrehozása, amelynek rövid hossza, nagy keresztmetszete és mágneses mezőt képes generálni. A mágneses mező létrehozásához általában egy hengert körülvevő hosszú, vékony huzalon keresztül vezetünk áramot; egy mágnesszelep. A cél azonban itt egy rövid hosszú és nagy sugárú mágnesszelep elkészítése. Az ideális megoldás az egy hurkú mágnesszelep, ha szükséges, egy fánk, olyan szorosan csomagolva, hogy a közepén lévő lyuk nem létezik. Ez azonban nem engedi, hogy a mágneses mező vonalai átmenjenek, és önmagában ellenproduktív fordított áramot indukálna. Ha inkább egy mágnesszelepet használunk, amelynek közepén egy kis nyílás van, akkor optimalizáljuk a huzal ellenállását.

(Bal és középen) A bolygó mágneses tere és az egyhurkos mágnesszelep mágneses tere hasonlóságának ábrázolása. (Jobbra) Példa egy zárt tóruszra (egy hurkos mágnesszelep), amely ideális megoldás a minimális elektromos ellenállás rendszerének létrehozására mágneses mező létrehozására. Szükségünk lesz egy kis lyukra a közepén, hogy a mágneses mező áthaladjon.

Most csak egy stratégiailag megválasztott értékre van szükségünk az energiafelhasználáshoz, amely minden más számára megoldást kínál. Ha igazán akarta, becsaphat néhány szabványos napelemet az űrhajójára, és (viszonylag) kis teljesítményű bemenetet használhat a bolygóméretű mágneses mező létrehozásához. Ez egy rossz ötlet. Kiderül, hogy minél alacsonyabb az energiateljesítmény, annál nagyobb a réz mágnesszelep kompenzálása. Még a több mint 4000 m²-es 20% -os hatékonyságú napelemek használata esetén a mágnesszelep tömege nagyobb, mint a Föld kéregében található összes réz esetében. Ahhoz, hogy elkészítsünk egy olyan kisméretű és könnyű mágnesszelepet, amely ésszerűen előállíthatja és elindíthatja a Mars pályára, nagy energiatermelőre lesz szükségünk.

A modern hasadóreaktorok több, mint Gigawatt teljesítményt termelhetnek, ennek kb. 1/3-a villamosenergia-előállításhoz hasznos. Ezt sablonként felhasználva elképzelhetjük a hatalmas, futurisztikus hasadási reaktorokat, hogy ellátjuk a védekező marsi magnetoszférát. A mágnesszelep és a hasadási reaktor méretének megismétlése után azt tapasztaltam, hogy egy 830 megawattos reaktor az ideális megoldás, ha feltételezzük, hogy 50% -os hőhatása van. Ez azt jelenti, hogy 415 megawatt hasznos teljesítmény megy a mágnesszelepbe, hogy mágneses mezőnket generáljon. Most már sikerült megoldani az összes többi paramétert azelőtt:

Néhány eredmény egy MATLAB-kódból, amelyet írtam, mert ki kéri mindezt kézzel?

Felhívjuk a figyelmet a rendkívül alacsony feszültségre, amely körülbelül 2 volt, és a réz-mágnesszelepek méretei / tömege, amelyek kb. 3,5 méter átmérőjű és 57 tonna tömegű torusra jönnek ki. Ez egy nagy rézfánk. A falnak a falnak kitölti a nappali átlagos felületét, és az autópályán megterhelt félpótkocsi törvényes tömegének meghaladja a hatszorosát. ~ 81 tesla mágneses mező jön létre a mágnesszelep felületén; az eddig előállított legerősebb mesterséges folyamatos mágneses mező közel kétszerese. Meg kell említeni még azt a tényt, hogy egy ilyen méretű hasadási reaktor működéséhez két évente több mint 40 tonna urán szükséges. Ez a legnagyobb problémát jelentheti a marsi-magnetoszféra minden jövőbeli törekvése szempontjából, mivel a Földről a Mars felé indulás körülbelül 18 hónapot vesz igénybe, és az urán bősége önmagában a Marson ismeretlen.

Még néhány olyan dologgal kapcsolatban, amelyekre magunkkal az űrhajóval nem foglalkozunk. 415 megawatt teljesítmény pumpálódik a réz mágnesszelephez a mágneses mező számára, de 415 megawatt többletteljesítmény ugyanakkor átalakul hulladékhővé. E hő megszabadításához erős hőszabályozó rendszerre lesz szükségünk. A napfény védi az űrhajót a Naptól származó esetleges további hő elnyelésétől, de továbbra is szükségünk lesz néhány magas kibocsátású radiátorpanelre, hogy hőt elvonjuk a reaktorból. A szilícium-karbid emisszióképessége viszonylag magas (0,7), és kb. 2000 K hőmérsékletet képes elérni anélkül, hogy szenvedne deformációtól vagy a sugárzási hatékonyság csökkenésétől. A mindkét oldalról hulladék hőt kibocsátó szilícium-karbid radiátorokkal 325 m² paneleket tervezek. Ez 4 panelnek felel meg, négyzetmérettel körülbelül 9 méter / oldal.

A hatékony radiátorfelület képlete a Stephan-Boltzmann törvényből.

Miután mindezt bevontam, képesek voltam becsléseket készíteni egy ilyen hajó tömegére vonatkozóan. 2 cm vastagságú és elég nagy átmérőjű, Kapton-bevonatú alumínium napfényvédőt használtam, hogy megakadályozzam az egész űrhajót a napfénytől, a radiátoroktól és az egyébktől. A hajótestnek feltételeztem, hogy 5 cm vastag, alumíniumötvözetekből készült. A hasadó reaktor burkolata 5 cm szilárd ólom. Meg is ragasztottam néhány extra tömeget mind az RCS manőverező üzemanyagához, mind a számítógépekhez és az elektronikához. A nap végén itt voltak az űrhajóim méretezési eredményei:

Űrhajók méretezési eredményei. Vegye figyelembe, hogy az RCS hajtóanyagot és az idegen tömeget a kézműves teljes tömegének és a hajótest száraz tömegének százalékában kezeltük.

Egyáltalán nem túl messze. A kézműves teljes tömege körülbelül 317 tonna. Ehhez 3 külön indulásra lenne szükség a Mars L1 számára az SpaceX által javasolt BFR-től, amely Musk büszkélkedhet, hogy 2020-ra közepére működik. Érdekes megjegyezni, hogy a hasadási reaktor és a réz-mágnesszelepek az űrhajó tömegének több mint 50% -át teszik ki. Az űrhajók méretezésének további szempontjaira felveszem egy képet a hajótest és a rendszerek lehetséges elrendezéséről, amelyet a jó barátom jack készített:

Az űrhajó vázlata referencia mérethez. Az alkatrészeket ennek megfelelően címkézték.

Néhány probléma

A legnagyobb kérdés itt 40 tonna urán szállítása a Mars L1-be kétévente. Ezt valószínűleg enyhítheti a fúziós energia fejlesztése a viszonylag közeljövőben. Egy másik kérdés a réz-mágnesszelep közvetlen közelében levő hatalmas mágnesesség és a hasadási reaktor sugárzása. Az űrhajó elektronikus és számítógépes alkatrészeinek stratégiai árnyékolására van szükség az ezekkel a jelenségekkel kapcsolatos kérdések megelőzése érdekében. Az óriási rézfánk gyártása valószínűleg szintén magas rangú a mesterséges marsi magnetoszféra előtt álló kihívások listáján.

Egy másik lehetséges probléma, amelyet még fogalmam sincs, hogyan lehetne megoldani (vagy ha ez egyáltalán nem is kérdés lenne), az a tény, hogy egy ~ 500 000 kilométer hosszú töltött részecskéket irányítunk a Napból, 300 km / s sebességgel közvetlenül a a réz fánk közepe mindkét oldalról. A Földön ezek az átirányított részecskék elérik a pólusok légkörét, és gyönyörű fénykijelzőt hoznak létre, amelyet Corona Borealis néven hívnak. A mi esetünkben fogalmam sincs, mi történne. Bármi legyen is a következményekkel, ennek megfelelően meg kell birkóznunk!

Következtetés

Savas MATLAB renderelés a mesterséges marsi magnetosheath kiterjesztéséről. A kék pluszjel a mező eredete a Mars L1-nél, a piros kör pedig a Mars.

És tehát, a ~ 300 tonnát meg nem haladó anyag és némi emberi leleményesség mellett a Mars ismét határozott védelmi vonalon büszkélkedhet a napszél ellen. Egy ilyen mező lehetővé tenné a légkör tenyésztését a bolygó körül, anélkül, hogy megsemmisülne, és ózonréteget lehet védeni a nagy energiájú UV-fény ellen. Az elektronikus eszközök és a biológiai elemek a Marson végre védettek lehetnek a napfénytől óvó protonok és elektronok végtelen gátjaitól.

** Ha további kérdése van a számításokkal vagy feltételezéseimmel kapcsolatban, kérjük, forduljon hozzám a hozzászólásokban vagy privát üzenetben. Sokkal több munkát végeztem, mint amiről itt tényleg írtam! **