Künstliches planetarisches Magnetfeld

Laut diesem Artikel beträgt die im Erdmagnetfeld gespeicherte Energie ca$10^{26}$Erg bzw$10^{19}$J. Laut Wikipedia beträgt die jährliche globale Stromerzeugung etwa 20.000 TWh, was zwischen$10^{19}$Und$10^{20}$J, wir produzieren also eigentlich schon genug Strom, um das Erdmagnetfeld zu erzeugen.

Es wäre ein weiteres Problem, es tatsächlich auf einem Jupitermond zu tun. Ich nehme an, Sie könnten Atomkraft nutzen, um den Bau einer Ölpipeline zwischen der Erde und Europa zu vermeiden, aber selbst wenn die Energie verfügbar wäre, weiß ich nicht, ob die aktuelle Technologie in der Lage ist, Magnetfelder mit so viel Energie zu erzeugen.

Eine supraleitende Stromschleife könnte vielleicht Abhilfe schaffen. Betrachten wir eine sehr vereinfachte Analyse zur Schaffung eines schützenden Magnetfelds für die Venus.

Wir werden im Wesentlichen das Magnetfeld der Erde imitieren.

Ich weiß nicht viel über den Sonnenwind , also nehme ich an, dass die Stärke nach dem Gesetz des umgekehrten Quadrats variiert. Außerdem gehe ich davon aus, dass die für den Planetenschutz erforderliche Magnetfeldstärke direkt proportional zur Sonnenwindstärke ist.

Die Venus umkreist die Sonne in einem Abstand von 0,72 AE . Dann, um den gleichen Schutz auf der Venus gegen den Sonnenwind zu haben, wie es die Erde jetzt tut, sollte das Magnetfeld sein$(1/0.72)^2 = 1.93$mal so stark wie das Feld der Erde.

Das Magnetfeld der Erde wird üblicherweise als Dipol angenähert . Das Magnetfeld bei gegebenem Radius R und magnetischer Breite Theta ist gegeben durch$\left|B\right| = \frac{B_0}{R^3} \sqrt{1 + 3\sin^2 \theta }$Tesla

Planetare Magnetfelder variieren je nach Radius und Breite. Nehmen wir zum Zwecke dieser Analyse den Wert des Magnetfelds am Pol als Referenz. Mit anderen Worten, das Ziel ist es, das polare Magnetfeld der Venus stark genug zu machen, und zu hoffen, dass der Rest des Feldes auch stark genug ist, da das für die Erde irgendwie funktioniert.

Stecken$B_0 = 3.12 \times 10^{-5} T$,$R=1$Und$\theta = 90 °$, bekommen wir eine ordentliche Zahl von$B_{pole-earth} = 6.24 \times 10^{-5} T$. Das Erforderliche$B_{pole-venus}$kommt dann raus$1.2 \times 10^{-4} T$.

Um die Berechnungen zu vereinfachen, gehe ich wiederum von einer einzelnen Äquatorschleife aus Supraleiter aus, was dazu führt, dass die Magnetpole mit den Rotationspolen zusammenfallen. Der Radius der Venus beträgt 6052 km und damit die Länge des supraleitenden Kabels$38000 km$.

Nun ist das Magnetfeld einer einzelnen kreisförmigen Stromschleife an einem Punkt auf der Kreisachse gegeben durch

Da sich der Pol ebenerdig befindet, vereinfacht sich der Ausdruck zu Nachgeben etwas

Wenn wir nach Strom auflösen, erhalten wir

Die Induktivität einer Drahtspule hat selbst im idealen Szenario keinen genauen Ausdruck in geschlossener Form, daher verwenden wir die von Kirchhoff angegebene Näherung

Nehmen wir einen großzügigen Dirigenten an$p = 3 m$Radius. Wir erhalten eine Induktivität von$L = 415 MH$- ein enormer Wert, aber angesichts der planetarischen Größenordnung durchaus zu erwarten.

Schließlich ist die Energie in einer Stromschleife gegeben durch$E = \frac{1}{2} L I^2$, wobei ein Wert von angegeben wird$1.12 \times 10^{27} J$. Das ist eine ziemlich große Zahl – offensichtlich möchten wir diese aus der reichlich vorhandenen Sonnenenergie der Venus erzeugen.

Die Sonneneinstrahlung der Venus, eine weitere Figur, die definitiv eine Variation des umgekehrten Quadratgesetzes aufweist, sollte vorhanden sein${1/0.72}^2 = 1.93$mal die Sonneneinstrahlung der Erde, die die Sonnenkonstante ist , gleich$1362 W/m^2$. Das macht uns sehr Mut$P = 2627 W/m^2$als Sonneneinstrahlung der Venus, und$P \pi R^2 = 3.023 \times 10^{17} W$als das gesamte Sonnenbudget der Venus. Geht man von einem Wirkungsgrad von 100 % aus, würde man etwa 37 Jahre benötigen, um das Magnetfeld vollständig aufzuladen. Keineswegs trivial, aber auf einer Zeitskala von Jahrtausenden sicherlich praktisch machbar.

Nachtrag : Da sowohl der Sonnenwind (vermutlich) als auch die Sonneneinstrahlung als das umgekehrte Quadrat der Entfernung zur Sonne variieren, sollte die Anzahl der Jahre, in denen Sonnenenergie eingefangen wird, unabhängig von der Entfernung von der Sonne sein. Die Induktivität der Schleife ist jedoch proportional zu$R \, \text{ln}R$, und der erforderliche Strom ist proportional zu$R$, also Abhängigkeit der benötigten Energie vom Radius ($0.5 L I^2$) ist mehr als kubisch. Wie unten von RiskyScientist vorgeschlagen, zeigt das Ausführen der Zahlen für Callisto, dass dies erforderlich wäre$2.4 \times 10^{22} J$oder$0.26 y = 95$Tage für die Solarladung des Magnetosphärengenerators.

Die wichtigsten Annahmen hier sind:

1. Dipolnäherung
2. Polare magnetische Feldstärke
3. Variation des inversen quadratischen Gesetzes im Sonnenwind
4. Notwendigkeit/Ausreichend des Erdmagnetfeldes zum Schutz vor atmosphärischem Stripping
5. Einzelne Stromschleife

Die meisten davon dienen dazu, die erforderliche Energie zu verringern, daher sollte hier etwas Hoffnung bestehen.

Das Magnetfeld an der Oberfläche des Leiters ist$154 T$das weitaus größer ist als jedes von Menschen geschaffene Feld. Das supraleitende Kabel würde ein Volumen von mind$38000 \pi p^2 = 1.075 km^3$. herum wiegen$8.6 \times 10^{12} kg$(Unter der Annahme einer Dichte von$8000 kg/m^3$).

Eine solche Schleife bietet jedoch einen entscheidenden Vorteil, falls jemals eine industrielle Zivilisation entstehen sollte: elektrische Speicherung UND Übertragung über den ganzen Planeten mit im Grunde unbegrenzten Entlade- und Laderaten.

Dies setzt voraus, dass die Magnetosphäre der Erde das Minimum ist, das erforderlich ist, um ein Objekt vor kosmischer Strahlung abzuschirmen, was tatsächlich falsch ist. Hier ist, was Sie herausfinden müssen, um ein Satellitensystem zu berechnen, um das zu tun, was Sie vorschlagen. 1. Was ist die erforderliche Mindeststärke eines Magnetfelds, damit es praktisch alle kosmischen Strahlen und den Sonnenwind ablenkt. 2-wie viel Energie wird benötigt, um ein Feld zu erzeugen. 3-die Menge an Strom, die Sonnenkollektoren in dieser Entfernung oder mit Radioisotopengeneratoren erzeugen können. 4- Wie viele Satelliten werden benötigt, um einen effektiven Schild zu schaffen?

Es sollte beachtet werden, dass, wenn der Mars, wo er kolonisiert werden soll, um ihn bewohnbar zu machen, es erforderlich wäre, ein solches Feld zu erzeugen, da er keinen internen Dynamo hat: 3, die großen Hydron-Collider-Forscher sollten in der Lage sein, dies zu beantworten, schauen Sie sich ihre Foren an

In diesem Sinne bin ich sicher, dass es tatsächlich machbar ist, wenn Sie einen billigeren Weg finden, in die Umlaufbahn zu gelangen als Raketen.

Die praktikabelste Methode, mit der das künstliche Magnetfeld erzeugt werden kann, ist die Platzierung von Hunderten (wenn nicht Tausenden) von Magnetsatelliten in der Umlaufbahn des Zielmondes oder -planeten, die sich alle in einer bestimmten Entfernung und Geschwindigkeit drehen. Diese Art von Satelliten kann nutzen die Sonnenenergie als Hauptenergiequelle, was die Energiekosten für ihre globale konstante Funktion tatsächlich senkt. Die Herstellung und der Start dieser riesigen Anzahl von Satelliten wird jedoch definitiv eine Frage enormer Kosten und Ressourcen bleiben, über die auf jeden Fall nachgedacht werden sollte.