Könnte ein Elektromagnet verwendet werden, um das Apogäum eines Satelliten anzuheben, der die Erde umkreist?

Angenommen, wir haben einen Satelliten, der die Erde in einer elliptischen Umlaufbahn umkreist, in der sich ein Elektromagnet befindet. Wenn der Satellit von seinem Apogäum zu seinem Perigäum geht (dh an Höhe verliert), schaltet er den Elektromagneten ein. Dies zieht das Magnetfeld der Erde an und beschleunigt den Satelliten nach unten. Sobald es das Perigäum passiert und wieder zu steigen beginnt, schaltet es den Elektromagneten aus. Könnte dies verwendet werden, um das Apogäum des Satelliten anzuheben?

Wenn ja, könnte diese Idee auch verwendet werden, um die Umlaufbahn nachträglich zu zirkulieren?

Gab es da nicht ein Shuttle-Experiment, bei dem sie eine große Metallkugel aus der Nutzlastbucht freigesetzt und an einem superlangen Seil freigesetzt haben? Ich denke, die Idee war, Strom auf Kosten der Geschwindigkeit zu erzeugen und umgekehrt. Soweit ich mich erinnere, ist es zweimal wegen der Leine fehlgeschlagen und es wurde verschrottet. Ich bin mir nicht sicher, ob es sich um dasselbe Prinzip handelt oder ob es überhaupt anwendbar ist, könnte aber von Interesse sein.
@ReubenFarley-Hall: Ich denke, Sie beziehen sich auf die Missionen TSS-1 und TSS-1R .
Selbst wenn Sie irgendwie genug Kraft erzeugen könnten, würde ein Elektromagnet nicht heiß werden, wenn er lange läuft? Und da der einzige praktische Weg, die Wärme abzuleiten, die Strahlung ist (die langsam ist und einen großen Kühlkörper erfordert), besteht nicht die Gefahr einer Überhitzung?
Diese beschriebene Technik würde eine Lageänderung erreichen, und genau dies wird mit einem Magnetorquer erreicht, der auf vielen Satelliten als grober Aktuator verwendet wird, siehe die Antwort von user_1818839, +1 dort. Informationen zu Umlaufbahnänderungen finden Sie in der Antwort von DrMcCleod, +1 dort auch.

Antworten (4)

Vielleicht möchten Sie einen Blick auf elektromagnetische Haltegurte werfen . Ein Raumfahrzeug, das sich durch ein Magnetfeld (wie das der Erde) bewegt, kann einen langen, nachlaufenden Draht einsetzen und einen Strom durch ihn fließen lassen. Dadurch wird dem Draht (und dem Fahrzeug) eine elektromotorische Kraft verliehen, die zum Anheben oder Absenken der Umlaufbahn verwendet werden kann. Es ist nicht genau dasselbe wie Ihre Idee, aber es ist ein praxisbezogenes System.

Können Sie erklären, warum es nicht dasselbe ist, was ich vorgeschlagen habe? Mein Verständnis ist, dass der Draht im "Antriebsmodus" arbeitet, indem das Magnetfeld des Stroms im Draht mit dem Erdfeld interagiert (was ein Elektromagnet tut). Vielleicht könnten Sie die Funktionsweise des EM-Tethers näher erläutern?
@ DrakeP das ist eine großartige Frage. Ihre Frage beginnt: "Wir haben einen Satelliten ... der einen Elektromagneten enthält." Das Halteseil ist viel viel länger als ein Satellit sein könnte, und es ist eher ein wackeliger, flexibler, dünner Leiter als eine starre Satellitenstruktur. Das könnte der einzige Unterschied sein, aber zumindest aus praktischer Sicht, obwohl es ziemlich verwandt ist, ist es definitiv nicht "dasselbe wie", was Sie vorgeschlagen haben.
@DrakeP Übrigens denke ich: "Können elektromagnetische Halteseile verwendet werden, um niedrige Erdumlaufbahnen anzuheben und / oder zu kreisförmigisieren? Können sie auch Standard-Orbitalmanöver durchführen?" wäre eine fantastische neue Folgefrage!

Die Kraft auf den Elektromagneten ergibt sich aus seinem magnetischen Moment multipliziert mit dem Magnetfeldgradienten der Erde . Ein großer Elektromagnet könnte ein magnetisches Moment in der Größenordnung von haben 10 + 6 A M P ⋅ M e T e R 2 . Das Feld der Erde liegt in der Größenordnung von 10 − 4 T e S l A und bei einem Orbitalradius von sagen wir 10 + 7 M e T e R S , der Feldgradient wird so etwas wie sein 10 − 4 / 10 + 7 = 10 − 11 T e S l A / M . Das Produkt dieser beiden Größen liegt in der Größenordnung von 10 − 5 N e w T Ö N S . Es ist also schwierig, genug Kraft zu bekommen, um nützlich zu sein.

1e-5 N ist immer noch eine Überlegung wert, weil es nichts kostet.
@fraxinus, nein ist es nicht. 1) Die natürlichen Kräfte auf dem Satelliten werden die magnetische Kraft bei weitem übersteigen. (Solardruck ist 1 Beispiel). 2) Die zusätzliche Masse, Komplexität und Leistungsanforderungen des Elektromagneten würden die Leistung/Lebensdauer des Satelliten verringern. Denken Sie daran: Masse ist teuer zu starten. Die Masse und Kraft wäre woanders besser angelegt. Schöne Idee, aber.
Das Feld außerhalb der Spule hebt den Effekt fast vollständig auf, sodass die tatsächliche Kraft noch kleiner ist.
Die @jpa-Kraft ist der magnetische Momentvektor, der mit dem Feldgradientenvektor gepunktet ist. Das magnetische Moment ergibt sich aus der Stromstärke mal der von ihr umschlossenen Fläche. Es spielt keine Rolle, wo oder wie sich die Feldlinien schließen.
@RogerWood Ah, hmm, ich scheine deine Berechnung zuerst falsch verstanden zu haben.
Wenn SI-Einheiten ausgeschrieben werden, werden sie in Kleinbuchstaben geschrieben – es sollte Ampere, Tesla, Newton sein.
@ Nayuki danke. Das war mir nicht bewusst.
Was könnte das magnetische Moment eines elektromagnetischen Halteseils sein, wie es DrMcCleod beschreibt?
@Drake P Space Tethers funktionieren nach einem anderen Prinzip und funktionieren auch dann, wenn kein Feldgradient vorhanden ist. Strom zirkuliert entlang der Leine und kehrt durch Ionenleitung durch das Vakuum zurück. Das Halteseil unterliegt der Lorentzkraft. Die Kraft auf das Halteseil wird auf das Raumfahrzeug übertragen. Die Ionen sind komplementären Kräften ausgesetzt, die sie ablenken, aber diese Kräfte werden nicht auf das Raumfahrzeug übertragen.

Elektromagnete, die gegen das Magnetfeld der Erde ziehen, werden für die (viel niedrigere Energie) Aufgabe verwendet, Satelliten auszurichten und sie in die richtige Richtung zu lenken. Dies wird als Magnetorquer bezeichnet .

Wie eine andere Antwort andeutet, wird es nicht einfach sein, auf diese Weise ein wesentliches Delta-V zu erhalten.

Die einfachste Idee, einen kleinen Elektromagneten ein- und auszuschalten, funktioniert nicht. Ein Elektromagnet hat sowohl innerhalb als auch außerhalb der Spule ein Feld:

(Bildquelle: P.Sumanth Naik / Wikipedia )

Das Feld außerhalb der Spule hat den gleichen Fluss wie das Feld im Inneren – es wird nur über eine größere Fläche verteilt. Dies gilt für alle Arten von Magneten, außer für hypothetische magnetische Monopole .

Bei ähnlich großen Magneten, die nahe beieinander liegen, sind die äußeren Felder breit und schwach genug, dass ihre vergleichende Wirkung gering ist:

(Bildquelle: Geek3 / Wikipedia )

Da das Magnetfeld der Erde so groß ist, ist es in der Nähe eines kleinen Elektromagneten im Wesentlichen homogen. Daher wird das äußere Feld jede lineare Kraft, die durch das innere Feld erzeugt wird, fast vollständig aufheben. Das mag etwas überraschend klingen, gilt aber allgemein: Gleichmäßige Magnetfelder erzeugen keine linearen Kräfte . Es bleibt nur das durch das Dipolmoment verursachte magnetische Drehmoment.

Bei elektromagnetischen Halteseilen wird die lineare Kraft durch elektrostatische Kräfte erzeugt, während die erforderliche Spannung magnetisch erzeugt wird.

Könnte ein Elektromagnet verwendet werden, um das Apogäum eines Satelliten anzuheben, der die Erde umkreist?
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