Könnte ein Hufeisenmagnet einem Satelliten helfen, im Orbit zu bleiben?

Question

Könnte ein Hufeisenmagnet einem Satelliten helfen, im Orbit zu bleiben?

Kosmos
Antrieb
Niedrige Erdumlaufbahn
Orbital-Mechanik
Design-Alternative
künstlicher Satellit

Anonym

Wenn ein Hufeisenmagnet an einem Satelliten befestigt wäre, der die Erde umkreist, würde die Wechselwirkung des Erdmagnetfelds und des Magnetfelds des Hufeisenmagneten dazu führen, dass der Magnet in Fahrtrichtung angetrieben wird und dem Satelliten Schwung verleiht? Wenn ja, sollte dieser Magnet dem Satelliten helfen, seine Umlaufbahn über seine gesamte Lebensdauer beizubehalten.

Um zu veranschaulichen, wie diese Antriebskraft erzeugt wird, beziehen Sie sich bitte auf die folgende Zeichnung:

Der in der Zeichnung gezeigte Hufeisenmagnet (und der Satellit) bewegt sich in einer West-Ost-Umlaufbahn um die Erde. Diese Antriebskraft entsteht durch die magnetische Abstoßung der beiden Magnetfelder.

Dieser Hufeisenmagnet könnte auch am Ende eines zehn Fuß langen Kunststoffstabs montiert werden, wobei das andere Ende des Stabs am Satelliten befestigt wird, so dass das Magnetfeld des Magneten die Elektronik des Satelliten nicht stört.

BEARBEITEN

Ich habe über das Problem nachgedacht, dass der Magnet und der Satellit durch das Magnetfeld der Erde gedreht werden, anstatt dass der Magnet Kraft / Impuls in West-Ost-Richtung hinzufügt.

Ich glaube, eine Lösung für dieses Problem wäre, einen Magneten hinter dem Satelliten und einen anderen davor zu platzieren, wobei jeder am Ende eines langen Plastikstabs befestigt wird, damit sein Magnetfeld die Elektronik des Satelliten nicht stört.

Ich habe dieses Konzept in der neuen Zeichnung unten dargestellt:

Wäre dies eine praktikable Lösung für das Rotationsproblem und gäbe es eine Antriebskraft, die dem Satelliten Schwung verleihen würde? Diese beiden Magnete könnten entweder Permanentmagnete oder Elektromagnete sein.

SE - hör auf, die Guten zu feuern

Mit dieser erstaunlichen neuen Magnetphysik können Sie auch unendliche Energie erhalten. Die Möglichkeiten sind endlos!

Karl Witthöft

Überlegen Sie zum einen, welche Kräfte vor dem Einsatz des Magneten wirken würden.

äh

Die Anordnung in Ihrer modifizierten Frage ist nicht wirklich anders. Sie haben immer noch Dipole parallel zu denen der Erde und eine Netto-Abstoßungskraft. Dabei spielt es keine Rolle, ob sie sich vor oder hinter dem Raumschiff befinden.

Benutzer35148

@uhoh, ich verstehe, was du sagst. Vielleicht wäre dann die einzig praktikable Lösung, jeden Magneten um 90 Grad zu drehen, sodass das offene Ende jedes Hufeisenmagneten auf die Oberfläche des Planeten gerichtet wäre. In dieser neuen Anordnung sollten beide Magnete eine magnetische Abstoßungskraft erfahren, die den Satelliten von der Erde wegdrücken sollte, was dazu beitragen sollte, seine aktuelle Umlaufbahn beizubehalten und/oder zu verlängern.

äh

@ user255577 Meine Antwort erklärt, dass Sie zwar einen einmaligen, sehr, sehr kleinen Höhenunterschied bekommen können, dies jedoch niemals funktionieren wird, um die Umlaufbahn aufrechtzuerhalten und / oder zu verlängern . Der atmosphärische Widerstand schwächt den Drehimpuls weiter ab, sodass die Umlaufbahn immer tiefer und tiefer fällt, bis sie verbrennt. Sie brauchen eine Schubkraft, um den Satelliten in seiner Umlaufbahn vorwärts zu schieben, um die Höhe zu halten, und Magnete auf dem Raumschiff können das einfach nicht leisten.

Antworten (3)

Könnte ein Hufeisenmagnet einem Satelliten helfen, im Orbit zu bleiben?

Mit dieser erstaunlichen neuen Magnetphysik können Sie auch unendliche Energie erhalten. Die Möglichkeiten sind endlos!
Überlegen Sie zum einen, welche Kräfte vor dem Einsatz des Magneten wirken würden.
Die Anordnung in Ihrer modifizierten Frage ist nicht wirklich anders. Sie haben immer noch Dipole parallel zu denen der Erde und eine Netto-Abstoßungskraft. Dabei spielt es keine Rolle, ob sie sich vor oder hinter dem Raumschiff befinden.
@uhoh, ich verstehe, was du sagst. Vielleicht wäre dann die einzig praktikable Lösung, jeden Magneten um 90 Grad zu drehen, sodass das offene Ende jedes Hufeisenmagneten auf die Oberfläche des Planeten gerichtet wäre. In dieser neuen Anordnung sollten beide Magnete eine magnetische Abstoßungskraft erfahren, die den Satelliten von der Erde wegdrücken sollte, was dazu beitragen sollte, seine aktuelle Umlaufbahn beizubehalten und/oder zu verlängern.
@ user255577 Meine Antwort erklärt, dass Sie zwar einen einmaligen, sehr, sehr kleinen Höhenunterschied bekommen können, dies jedoch niemals funktionieren wird, um die Umlaufbahn aufrechtzuerhalten und / oder zu verlängern . Der atmosphärische Widerstand schwächt den Drehimpuls weiter ab, sodass die Umlaufbahn immer tiefer und tiefer fällt, bis sie verbrennt. Sie brauchen eine Schubkraft, um den Satelliten in seiner Umlaufbahn vorwärts zu schieben, um die Höhe zu halten, und Magnete auf dem Raumschiff können das einfach nicht leisten.

äh · Answer 1

Dipol-Dipol-Abstoßung

Die Zeichnung zeigt die richtige Idee; Wenn Sie zwei parallele magnetische Dipole nahe beieinander halten, entsteht eine starke Abstoßungskraft. Wenn du loslässt, fliegen sie auseinander.

Um sich vorzustellen, was passieren würde, wenn dies in der Erdumlaufbahn wäre , machen wir den Hufeisenmagneten zu einem Elektromagneten. Es hat die gleiche Form, aber anstatt aus Permanentmagnetmaterial plus Eisen besteht es nur aus Eisen und wir wickeln eine solarbetriebene Spule darum, damit wir es einmal in seiner kreisförmigen Umlaufbahn einschalten können.

Wenn das passiert, wird das Raumfahrzeug durch eine radiale Kraft nach außen gedrückt. Dies ändert die Geschwindigkeit nicht, weil es senkrecht dazu ist, also bewegt sich das Raumschiff jetzt zu schnell für diese kreisförmige Umlaufbahn, und es wird bis zur Apoapsis an Höhe steigen und dann in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehren. Sie haben die kreisförmige Umlaufbahn in eine leicht elliptische Umlaufbahn mit der gleichen Periapsis angehoben.

Wenn Sie das Feld langsam hochfahren würden, würden Sie die Höhe leicht erhöhen.

Es ist ein bisschen so, als würde man sich in einer heliozentrischen Umlaufbahn befinden und ein riesiges Sonnensegel direkt auf die Sonne richten. Nicht dasselbe, weil die Intensität der Sonne abfällt $1/r^2$ und die Abstoßung zwischen zwei Dipolen fällt ab als $1/r^4$ .

Bekämpft keinen Luftwiderstand

Diese Abstoßung hat langfristig keine weitere Wirkung. Sobald Sie die Umlaufbahn leicht angehoben haben, haben Sie ein neues Gleichgewicht zwischen anziehenden und abstoßenden Kräften.

Dies hindert die Widerstandskraft nicht daran, den Drehimpuls des Raumfahrzeugs langsam zu schwächen, da der Widerstand in Bewegungsrichtung wirkt, während unsere Abstoßung senkrecht dazu ist. Das Raumschiff wird weiter an Höhe verlieren und schließlich in der Atmosphäre verglühen. Abhängig von der Art des verwendeten Magneten kann er so groß sein und Wärme absorbieren, dass Brocken den Wiedereintritt überleben und auf jemandes Haus fallen.

Anders, aber verwandt:

@ uhoh, wie in meiner letzten Antwort auf Ihren Kommentar oben angegeben, glaube ich, dass die einzige Möglichkeit, wie ein Hufeisenmagnet (en) einem Satelliten helfen könnte, im Orbit zu bleiben, darin besteht, dass das offene Ende des (der) Hufeisenmagneten sein müsste direkt auf die Oberfläche des Planeten gerichtet.

PearsonArtPhoto · Answer 2

Nein. Was mit einem Magnetfeld in der Erdumlaufbahn getan werden kann, ist, den Satelliten zu verdrehen oder zu drehen. Aber für irgendeinen Antrieb müssten Sie tatsächlich ein variierendes Magnetfeld und eine Art Halteseil haben. Diese Website spricht ein wenig darüber, wie so etwas funktionieren könnte.

danke für diesen Link. Das ist ein sehr interessanter SpaceNews-Artikel und ich werde einige Nachforschungen anstellen, um zu sehen, was die Ergebnisse waren, weil dieser Artikel vom 12. Juli 2010 datiert ist.
Ein variierendes Magnetfeld spricht von scharfen Gradienten, richtig? Die Schwankungen um die Magnetosphäre der Erde herum sind zu makroskopisch, um Mikroeffekte auf einem Satelliten zu haben, richtig?

Mefitico · Answer 3

Lassen Sie mich das in einen anderen Rahmen setzen. Denken Sie zunächst daran, dass Magnetfelder auch magnetische Energie speichern :

E_{M A G} = \int_{v} H . B D v

$E_{mag} = \int_V H. B\, dV$

Beachten Sie nun aus der Lagrange-Mechanik Folgendes:

L = U - v = E_{M A G} + E_{G R A v} - \frac{M v^{2}}{2} - \frac{ω^{T} ICH ω}{2}

$L = U-V = E_{mag}+E_{grav}-\frac{mV^2}{2}-\frac{\omega^TI\omega}{2}$

Und vergessen wir vorerst einige dissipative Effekte und die Winkelausdrücke.

Unter Hinweis auf die Euler-Lagrange-Gleichung:

\frac{\partial L}{\partial R} - \frac{D}{D T} (\frac{\partial L}{\partial \dot{R}}) = 0

$\frac{\partial L}{\partial r}-\frac{d}{dt}\left( \frac{\partial L}{\partial \dot{r}} \right)=0$

Und wenn wir verstehen, dass die Energieterme nicht von der zeitlichen Ableitung der verallgemeinerten Koordinate abhängen, haben wir:

\frac{\partial E_{M A G}}{\partial R} + \frac{\partial E_{G R A v}}{\partial R} = M \dot{v}

$\frac{\partial E_{mag}}{\partial r}+\frac{\partial E_{grav}}{\partial r}=m\dot{V}$

Keine Neuigkeiten, der Gradient der potenziellen Energie der Schwerkraft ist nur die Gravitationskraft, die jeder hier gut kennt. Der neue Begriff, von dem wir intuitiv denken, dass er eine gewisse Kontrolle über die Umlaufbahn bieten könnte, ist die Ableitung des Magnetfelds:

\frac{\partial E_{M A G}}{\partial R} = \frac{\partial}{\partial R} [\int_{v} H . B D v]

$\frac{\partial E_{mag}}{\partial r}=\frac{\partial}{\partial r} \left[ \int_V H. B\, dV\right]$

Nun repräsentieren diese Terme die momentane Ratenänderung der magnetisch gespeicherten Energie pro Längeneinheit in der Position des Raumfahrzeugs. Dies vernachlässigt also Änderungen der Lage des Raumfahrzeugs (wir kennen die Auswirkungen magnetischer Drehmomente auf Satelliten gut und haben zuvor alle lagebezogenen Koordinaten fallen gelassen). Wir können also davon ausgehen, dass das vom Satelliten erzeugte magnetische Induktionsfeld ( $B$ ) ist unabhängig von der Position des Raumfahrzeugs. So:

\frac{\partial E_{M A G}}{\partial R} = \int_{v} [\frac{\partial H}{\partial R} . B D v]

$\frac{\partial E_{mag}}{\partial r} = \int_V \left[\frac{\partial H}{\partial r} . B\, dV\right]$

Und das Magnetfeld der Erde auf ihrer Umlaufbahn $H$ ist über den Raum nicht konstant. Rechts? Nun, ich würde gerne einen besseren Hinweis auf diesen Wert finden, aber die Auswahl dieses Papiers hat 324 km gekostet (was für eine Umlaufbahn sehr wenig ist). In einer magnetischen Anomalie erhalten Sie einen vertikalen Gradienten von höchstens 0,16 nT/km. Wir sprechen also über die Umrechnung in SI-Basiseinheiten $1.6 \times 10^{-11}$ T/m. Dividiert durch die magnetische Permeabilität des Vakuums erhalten wir 0,042 A/m². Um also den gleichen durchschnittlichen Schub zu erhalten, den GOCE verwendet (von dem ich etwa 2 mN annehme), bräuchten wir 2 mN = 0,042 A / m² * B, was zu B ~ 47 T führt. Klingt nach viel für Sie?

Naja, übrigens hatte ich die Ahnung, aber keinen Hinweis darauf, ob dieser Wert groß war oder nicht. Meine Google-Suche sagt mir jedoch, dass der Rekordhalter für den stärksten Magneten der Welt ab 2019 "nur" einen magnetischen Fluss von 45,5 T erzeugt.

Erinnern Sie sich, wenn Leute Ihnen sagen, dass Sie keine Metallgegenstände in die Nähe eines MRT-Geräts bringen sollen? Nun , laut dieser Referenz "haben die meisten Scanner in der MR-Branche 1,5 T oder 3,0 T, es gibt jedoch unterschiedliche Stärken unter 1,5 T und in jüngerer Zeit bis zu 7,0 T." . Sie erzeugen eine Kraft, die ausreicht, um Komponenten eines Raumfahrzeugs mechanisch zu zerbrechen.

Einerseits ist meine Referenz für den magnetischen Gradienten nicht so gut, aber Sie können Daten für andere Umlaufbahnhöhen suchen und die Berechnungen selbst wiederholen. Vielleicht braucht man für eine höhere Umlaufbahn weniger Schub, aber dann sind auch das Grundmagnetfeld und seine Schwankungen kleiner.

Aber warte, es gibt noch mehr! (Vertrau mir, ich bin ein Ingeneur). Starke Magnetfelder, insbesondere wenn sie sich im Laufe der Zeit ändern, erzeugen elektromagnetische Interferenzen, die jeden Draht an Bord des Raumfahrzeugs durcheinander bringen können. Siehe auch diese Frage für eine ausführliche Diskussion. Ich würde sogar wetten, dass ein so starkes Feld den Satelliten mechanisch beschädigen könnte, indem es seine Struktur bricht, ich habe hier nicht nachgerechnet, aber ich bin von diesem Video überzeugt .

Zusammenfassend also: In der Umlaufbahn und über der Größe eines Satelliten und über den Schwankungen des Erdmagnetfelds sind zwar ständig magnetische Kräfte (und nicht nur Drehmomente) vorhanden, aber sie sind wirklich klein, um genau zu sein Jeder nutzbare Effekt würde eine wahnsinnige Energiemenge erfordern, um ein absurd starkes Magnetfeld zu erzeugen, das den Satelliten wahrscheinlich zerstören würde.

@ Mefitico, ich schätze, dass Sie darauf hingewiesen haben, dass das Magnetfeld der Erde in einer Umlaufbahnhöhe um die Erde einfach zu schwach ist, um eine positive Wirkung auf den/die Hufeisenmagnet(e) zu haben, und daher gibt es wirklich keinen Vorteil, einen zu verwenden.
@ user255577 : Bitte beachten Sie eine leichte Subtilität: Für den Zweck meines Beitrags ist nicht die Größe des Felds selbst von Bedeutung, sondern die räumlichen Variationen davon. Die Intensität selbst ist relevanter für die Begründung von uhohs Beitrag.

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