Warum können Permanentmagnete nicht zur Strahlenabschirmung im Weltraum verwendet werden?

Permanentmagnete sind ziemlich schwer und haben eine zeitliche Verteilung der Feldstärke, so dass sie ihren Magnetismus langsam verlieren. In gewisser Weise sind sie über die Definition hinaus nicht wirklich "permanent", was bedeutet, dass ihre Feldstärke sehr langsam abnimmt und keine externe Stromquelle benötigt.

Elektromagnete sind ebenfalls schwer, können aber wesentlich leichter als Permanentmagnete ausgelegt werden. Dies schließt die Hinzufügung einer kleinen Stromquelle ein. Ihre Stärke kann je nach verfügbarer Leistung dynamisch angepasst werden. Somit können sie so lange überleben wie ihre Energiequelle.

Elektromagnete bieten ein geringeres Gewicht, eine abstimmbare Leistung und einen Wartungszyklus, der eine erneute Magnetisierung oder einen sperrigen Austausch vermeidet. Derzeit scheinen diese Vorteile einen höheren Wert zu haben als die Energie, die sie zum Betrieb benötigen.

Die wirklichen Probleme kommen ins Spiel, wenn man die Größe und Stärke eines Magnetfelds betrachtet, das erforderlich ist, um im Weltraum Schutz zu bieten. Ich bin mir nicht sicher, ob die aktuelle Technik ein solches Feld erstellen kann, da die Erde das aktuelle Vergleichsmodell ist.

Magnetische Abnutzung beheben...

Es ist ein weit verbreiteter Irrglaube, dass ein Permanentmagnet irgendwie wirklich permanent ist. Elemente innerhalb eines Permanentmagneten werden während des Magnetisierungsvorgangs des Magneten ausgerichtet . Dadurch entsteht eine einheitliche Domäne ausgerichteter Elemente, die den Magnetismus erzeugen. Kosmische Strahlen und andere Störungen treffen gelegentlich auf diese Elemente und bringen sie aus der Ausrichtung. Wenn die Elemente falsch ausgerichtet werden, wird das Feld schwächer.

Leistungsdiagramme einiger kommerzieller Elektromagnete

Nennleistungen einiger handelsüblicher Permanentmagnete

Eine magnetische Abschirmung schützt nicht vor Gammastrahlen und Neutronen, daher kann eine gewisse Abschirmung, wie z. B. Trink- und Abwasser in einer Doppelhülle, erforderlich sein. Ein paar Zentimeter Wasser könnten diese Strahlung fast halbieren und auch die magnetische Abschirmung erhöhen. Die Besatzung wird sowohl Trink- als auch Abwasser haben, also nutze das, was du hast, zum Abschirmen. Kraftstoff kann auch ein guter Schutzschild sein. Solarenergie für einen magnetischen Schild ist in der Mars-Solar-Sphäre reichlich vorhanden. Für Ausflüge in den Asteroidengürtel und darüber hinaus ist Solarenergie nicht so reichlich vorhanden. Dünnschicht-Solarsegel können leicht sein und können bei transplanetaren Flügen entfaltet werden.

Wie wir aus früheren Experimenten gelernt haben, muss die Energiegewinnung aus den Segeln auf eine sorgfältig konstruierte Weise erfolgen, um die Segel nicht zu belasten oder zu kollabieren. Dies gilt insbesondere in diesem Fall, da wir ein starkes Magnetfeld erzeugen, das eine Kraft auf alle stromführenden Drähte ausübt. Um die Dinge weiter zu komplizieren, wird ein Hornhautmassenausstoß eine Feldverzerrung verursachen, die Ströme in diese Drähte induziert, die möglicherweise Schaltkreise durchbrennen und sogar die Drähte schmelzen.

Außerdem verschlimmert Aluminium in Rümpfen die Probleme der kosmischen Teilchenstrahlung mit Sekundärteilchen, so dass Kohlefaser mit Polyethylen möglicherweise das Rumpfmaterial der Wahl sein wird. Während eines solaren koronalen Massenauswurfs kann die Rakete ihren Schwanz in Richtung Sonne drehen, um die Auswirkungen auf die Besatzung zu verringern. Tatsächlich werden sie dies wahrscheinlich sowieso während des gesamten Fluges tun, um sich im Allgemeinen vor Sonnenstrahlung zu schützen, die eine gerichtete Hauptstrahlungsquelle ist. Zusätzlich könnten sie auch einen kleinen zusätzlichen photonischen Schub von den Sonnensegeln bekommen.

Das ist natürlich alles spekulativ. Sie brauchen die Zahlen und ich hoffe, die NASA und SpaceX haben sie. Ich bin sicher, dass viele Menschen bereit sein werden, eine Reise zum Mond oder Mars zu unternehmen, auch wenn dies bedeutet, dass dies ihr Leben verkürzt, wie es anscheinend bei den Apollo-Astronauten der Fall war. Ich denke, SpaceX hat die richtige Idee, nämlich schnell dorthin zu gelangen, um Ihre Exposition und die Dinge, die Sie tragen müssen, wie Lebensmittel und angesammelten Müll, zu reduzieren. Nein, Sie werfen den Müll nicht über Bord.

Mir fallen noch zwei weitere Gründe ein:

1. Praktische Installation und Flexibilität : Sie möchten, dass Ihre Magnete stark sind. Aber starke Permanentmagnete sind unangenehm zu installieren (jemals versucht, einen dieser 1T-Oberflächenfeld-Mini-Supermagnete aus Ihrem Kühlschrank zu ziehen?) Und daher sind beliebige Feldformen sehr schwer zu erreichen.
   Wenn Sie ein schönes, maßgeschneidertes Hochfeld wünschen, das das Innere Ihres Raumfahrzeugs nicht stört und nach außen schützt, dann sind Elektromagnete ein Muss.

Bleibt die Frage, warum sollte man Permanentmagnete verwenden, wenn man mit einigen einfach ein- und ausschalten kann? Auf diese Weise können Sie flexibler auf Situationen mit erhöhten Protonenflüssen aus der Sonne vs. ruhigen Phasen reagieren. Scheint mir viel klüger zu sein.

2. Abschirmeigenschaften : Die Abschirmung von Partikeln durch Magnetfelder funktioniert über den magnetischen Spiegeleffekt . Gleichsetzen von kinetischer Teilchenenergie und magnetischer Energie des verwendeten Dipols$\mu B$, können wir die Abschirmeigenschaften abschätzen.
   Ein bisschen Mathematik zeigt dann, dass ein 1T-Feld mit einem Dipolmoment von$0.01-0.1 Am^2$(Ich habe nicht gründlich nach typischen Werten gesucht, nur ein Google-Ergebnis nachgeschlagen ) kann Partikel von bis zu abstoßen$10^{18}eV$Energie, die nach dem Energiespektrum der kosmischen Strahlung ausreichen würde, um den größten Teil des Flusses der kosmischen Strahlung abzulenken.

Aber denken Sie daran, dass der Wert von 1T, den ich hier nur gewählt habe, um die Berechnungen zu vereinfachen, eine absurd hohe Feldstärke ist. Ein großflächiges Magnetfeld auf einem Schiff wäre um Größenordnungen geringer$\mu$ebenso gut wie$B$.
Und dann wäre dies wahrscheinlich in der Lage, den solaren Partikelfluss abzuschirmen, aber nicht die galaktischen Partikel (die um Größenordnungen weniger Schaden anrichten, da ihr Fluss geringer ist).