Wie viel Energie würde die magnetische Abschirmung eines Raumfahrzeugs benötigen?

Ja, die Forschung zur Abschirmung von energiereichen Partikeln des Sonnenwindplasmas unter Verwendung von Dipol-Magnetfeldern geht weiter, und vielleicht der beste Hinweis darauf ist die Einreichung des Spacecraft-Shield - Patents ⁽¹⁾ im Jahr 2010, etwa 2 Jahre nach der Veröffentlichung von Plasma Physics und Controlled Fusion Journal ⁽²⁾ , das dem Autor des Physics World-Artikels ⁽³⁾ aufgefallen ist, auf den Sie verlinken, sowie mehrere andere ähnliche, z. B. in Universe Today ⁽⁴⁾ .

Ein Blick auf Ruth Bamfords jüngste Veröffentlichung ⁽⁵⁾ , die leitende Forscherin und die zuerst zitierte Autorin der besagten Veröffentlichung, die all diese Nachrichtenartikel veranlasste, zeigt die Beteiligung dieser Wissenschaftlerin an mehreren Konzeptprojekten zur Weltraumforschung, also würde ich wetten, dass die Forschung sehr scheint viel lebendig. Zum Beispiel zeigt dieser Artikel mit dem Titel Conceptual Space Vehicle Architecture for Human Exploration of Mars ⁽⁶⁾ aus dem Jahr 2012 bereits die Beteiligung von Boeing und ULA, unter anderem, also ist dies eine Forschung, die bereits zumindest teilweise von den großen Akteuren der Raumfahrtindustrie gesponsert wird.

Was die erforderliche Größe und Leistung anbelangt, ist die indikativste Quelle das erwähnte Patent (Anmeldenummer US 12/990,420) ⁽¹⁾ , das Folgendes zitiert:

Um eine wirksame Abschirmung bereitzustellen, beträgt die Stärke des Abschirmmagnetfelds an der Quelle vorzugsweise mindestens 1 × 10 ^–4 Tesla. Um eine Grenze zwischen dem Magnetfeld der Abschirmung und einem typischen Hintergrundmagnetfeld des Sonnenwinds von etwa 1 × 10 ^–7 Tesla (vielleicht 5 × 10 ^–8 bis 5 × 10 ^{–6 ) zu erhalten}Tesla abhängig von den Bedingungen des Sonnenwindes) in einer Entfernung von bis zu einigen hundert Metern vom Raumfahrzeug ist im Allgemeinen eine Feldstärke von weniger als 0,1 Tesla an der Magnetfeldquelle ausreichend. Unter Berücksichtigung von Effekten der Feldpersistenz in der Plasmaumgebung kann eine durchschnittliche elektrische Leistung von etwa 100 W bis 10 kW und bevorzugter von etwa 500 W bis 5 kW von der Stromversorgung bereitgestellt werden, um die Magnetfeldquelle anzutreiben, um die magnetische Abschirmung zu erzeugen aufstellen.

Und die Größe der Funktionselemente wird im Universe Today-Artikel ⁽⁴⁾ als „nicht größer als ein großer Schreibtisch“ beschrieben.. Natürlich scheinen diese angegebenen Leistungsanforderungen hoch zu sein, aber der Schild müsste nicht die ganze Zeit mit seiner maximalen Leistung aktiv sein, und seine Leistung könnte variabel sein, um den Beobachtungsdaten von entfernten Observatorien zu entsprechen, die Daten über den Sonnenfluss an das Raumschiff liefern dass ein solches Dipol-Magnetfeld vorher abschirmen würde. Wenn ich mich richtig erinnere, erreichen größere Sonneneruptionen die Erde im Durchschnitt in etwa anderthalb Tagen, das sind also etwa ⅔ AE pro Tag. Und natürlich gibt es in sonnengefährdeten Entfernungen zur Sonne auch reichlich Sonnenenergie, die durch den Einsatz von Photovoltaik erschlossen werden kann. Zum Vergleich: Die Solaranlagen der Internationalen Raumstation sind zwar groß und schwer, aber in der Lage, eine Erzeugungskapazität von 120 kW zu erzeugen.

Es scheint also machbar, dass zukünftige bemannte Langzeitmissionen außerhalb des Erdmagnetfelds ihr eigenes, tragbares und aktives Magnetfeld verwenden und die Besatzung damit davor schützen könnten, geladenen hochenergetischen Partikeln von Sonnenwinden ausgesetzt zu werden. Möglicherweise zusätzlich zur Verwendung biologischer Abschirmung durch umgebende Mannschaftsräume mit Schichten aus Wasser und Treibmitteln, wie zB in diesem konzeptionellen Design eines Mannschafts-Explorationslanders für den Asteroiden Ceres und die Saturnmonde Rhea und Iapetus ⁽⁷⁾ .

Zitierte Quellen und empfohlene Lektüre :

1. Google-Patente: Raumschiffschild, US 20110049303 A1 , Ruth Bamford, Robert Bingham, 2010
2. Die Wechselwirkung eines fließenden Plasmas mit einem Dipolmagnetfeld: Messungen und Modellierung eines diamagnetischen Hohlraums, der für den Schutz von Raumfahrzeugen relevant ist , R. Bamford et al., Plasma Physics and Controlled Fusion, 2008 (PDF)
3. Physics World: Magnetische Abschirmung könnte Raumschiff schützen , 6. November 2008
4. Universe Today: Ionenschild für interplanetare Raumschiffe jetzt Realität , 4. November 2008
5. Google Scholar: Ruth Bamford , STFC, RAL Space, Rutherford Appleton Laboratory, Großbritannien
6. Conceptual Space Vehicle Architecture for Human Exploration of Mars, with Artificial Gravity and Mini-Magnetosphere Crew Radiation Shield , M. Benton et al., AIAA Meeting Papers, 2012
7. Conceptual Design of Crew Exploration Lander for Asteroid Ceres and Saturn Moons Rhea and Iapetus , M. Benton, American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2010 (PDF)

Es ist Montag, also lass mich auf dieser Parade ein wenig regnen.

Gegenwärtige magnetische Abschirmkonstruktionen sind zum Schutz vor ionisierender Sonnenstrahlung ausreichend . Sie reichen nicht aus, um vor galaktischer kosmischer Strahlung zu schützen, die in jedem Teilchen viel mehr Energie hat. Um das effektiv zu blockieren, wäre ein Schild mit 100-mal größerer Energie erforderlich. Wenn die Schildparameter von Bamford aus der Antwort von TildalWave verwendet werden, wären 500 kW Leistung erforderlich. Es kann nicht nach aktuellem Bedarf moduliert werden, es muss immer auf diesem Leistungsniveau sein, da GCR nur sehr langsam über den Sonnenzyklus schwankt, es handelt sich nicht um gelegentliche Stürme wie ionisierende Sonnenstrahlung. Der Masse- und Energiebedarf eines solchen Systems ist unerschwinglich. Die Auswirkungen einer Exposition bei einem Magnetfeld dieser Stärke auf die menschliche Gesundheit im Laufe der Zeit sind nicht bekannt.

Die gesundheitlichen Auswirkungen der kosmischen Strahlung auf den Ebenen im interplanetaren Raum sind nicht bekannt. Die Exposition für ein oder zwei Jahre kann nur die Wahrscheinlichkeit von Krebs erhöhen, oder es könnte schwächend sein, wenn nicht sofort, dann in ein paar Jahren. Sobald wir viel mehr Daten haben, könnte es sich als ausreichend erweisen, ein schwächeres Magnetfeld zu verwenden, das beispielsweise nur Teilchen mit Energien unter 500 MeV ablenkt – das wären die meisten Teilchen. Oder vielleicht auch nicht.

Siehe diesen Artikel zum Thema.

Bearbeiten: Um die potenzielle Gefahr von GCR zu verdeutlichen, finden Sie hier eine Tabelle aus dem Dokument, zu dem der zweite Link führt, eine hervorragende, aktuelle Zusammenfassung der Angelegenheit:

Die zur Berechnung der letzten Spalte postulierte Abschirmung beträgt 3 g/cm ² Aluminium ... plus das Fleisch Ihres Körpers, das die wichtigen Teile umgibt. Das heißt, sie gehen davon aus, dass es nicht wirklich wichtig ist, wenn ein 400-MeV-Proton auf ein Molekül in einem Ihrer Muskeln trifft, sie betrachten nur die „blutbildenden Organe“ (was Ihr Gehirn nicht einschließt). Das allein, denke ich, vermittelt, wie sehr unser Wissen darüber vorläufig ist.

Es ist auch wichtig zu bedenken, dass diese Abschirmung so berechnet ist, dass sie hilft, weil sie so dünn ist . Denn das bedeutet, dass die meisten Partikel einfach durch das ganze Schiff hindurchgehen, praktisch so, als ob es gar nicht da wäre. Sobald eines dieser Teilchen den Kern eines Atoms auf seinem Weg trifft, beginnt das eigentliche Problem. Sie schlagen neue Partikel von diesem Kern ab und vervielfachen das Problem. Aus Anhang E von NASAs „ Space Settlements: A Design Study “ (eine ausgezeichnete Einführung):

Es gibt drei Mechanismen, die bei der Massenabschirmung wichtig sind. Erstens regt ein geladenes Teilchen Elektronen über viele hundert Å auf seiner Flugbahn an. Diese Anregung entzieht relativistischen Teilchen kinetische Energie mit einer ungefähr konstanten Rate und wirkt als Bremsmechanismus. Für relativistische Protonen in Low-Z-Materie ist diese "lineare Energieübertragung".$2 MeV/g*cm^-2$von Materie. Wenn die Dicke des Massenschildes groß genug ist, wird ein Teilchen mit endlicher kinetischer Energie gestoppt. Dies ist der am wenigsten effektive Abschirmmechanismus in Materie für relativistische Teilchen.

Der zweite Mechanismus ist die Kerndämpfung. Für Siliziumdioxid beträgt der durchschnittliche Kernquerschnitt 0,4 Barn ($10^{-24}\ cm^2$). Wenn also ein geladenes Teilchen den Schild (bestehend aus Siliziumdioxid) weit genug durchquert, kollidiert es mit einem Kern und verliert Energie durch unelastische Kollisionen mit der Kernmaterie. Das Maß dafür, wie weit ein Teilchen reisen muss, um eine erhebliche Chance auf eine Kernkollision zu haben, ist die mittlere freie Weglänge, die für Siliziumdioxid gilt$106 g/cm^2$. Dieser Mechanismus ist ein exponentieller Dämpfer von Primärstrahlteilchen.

Der Strahlreinigungstendenz der Kerndämpfung steht die Erzeugung energetischer Sekundärteilchen entgegen. Bei jeder Kernkollision gibt es einen Strahlverlust durch Kernanregung und eine Strahlverstärkung (allerdings mit einer Gesamtenergieverschlechterung durch die Zunahme der Entropie) von den Sekundärteilchen, die von den angeregten Kernen emittiert werden. Diese Sekundärteilchen werden natürlich selbst durch weitere Kernkollisionen mit ungefähr der gleichen mittleren freien Weglänge wie die Primärteilchen abgeschwächt

In allen Teilen des hypothetischen Schiffs, in denen sich mehr Material als die 3 g/cm ² Aluminium zwischen Ihnen und dem Weltraum befindet, besteht eine viel höhere Wahrscheinlichkeit, dass Sie von schädlichen Partikeln aus diesen Richtungen getroffen werden, es sei denn, die Festes Material dazwischen ist mindestens ein paar Meter dick. Es kann 5 Meter Material dauern, bis die Kaskade von Teilchen, die durch solche Kollisionen erzeugt wird, aufgrund der Verteilung ihrer kinetischen Energie abklingt.

Vielleicht könnten Sie also 10 Jahre im Weltraum verbringen und nur die maximal zulässige Strahlung für die Karriere eines Astronauten gemäß NASA erhalten, was bedeutet, dass Sie sich um nichts mehr als ein höheres Krebsrisiko und Katarakte sorgen müssen. Oder vielleicht ist dieser Standpunkt viel zu sonnig. Wir wissen es wirklich nicht. Aus dem obigen Artikel von Eugene Parker :

Eine Schätzung der NASA besagt, dass jedes Jahr etwa ein Drittel der DNA im Körper eines Astronauten durch kosmische Strahlung zerschnitten wird.

Dies könnte von Interesse sein: CERN nutzt in Zusammenarbeit mit dem European Space Radiation Super Conducting Shield-Projekt Fortschritte in der Supraleitertechnologie, um ein supraleitendes Magnetfeld zum Schutz von Raumfahrzeugen und ihren Insassen zu entwickeln. Ziel ist es, ein Magnetfeld zu erzeugen, das 3.000-mal stärker ist als das der Erde, um Astronauten in einem Bereich mit einem Durchmesser von zehn Metern zu schützen, der das Raumfahrzeug oder den Lebensraum umgibt .

Ich kann keine Angaben zu den Leistungsanforderungen finden. Aber die Masse der "Kürbiskonfiguration" beträgt 53,8 Tonnen und sie wird passiv gekühlt, sodass die Hauptleistung nur darin besteht, das Magnetfeld in den supraleitenden Magneten zu erzeugen und aufrechtzuerhalten. Ich habe hier in meinem Case for Moon First einen Abschnitt darüber eingefügt , mit den Zitaten, die ich finden konnte, aber ich habe bisher nicht so viel gefunden.