Wie stark wäre ein Magnetfeld, um kosmische Strahlung abzulenken?

Hintergrundinformationen
Als erstes muss die relativistische Kreiselfrequenz betrachtet werden , gegeben durch:

$$\Omega_{cs} = \frac{ Z_{s} \ e \ B_{o} }{ \gamma \ m_{s} }$$ Wo $Z_{s}$ist der Ladungszustand der Spezies $s$, $e$ist die Grundladung , $B_{o}$ist die Größe des quasistatischen Magnetfelds, $\gamma$ist der relativistische Lorentz-Faktor , und $m_{s}$ist die Masse der Arten $s$.

Als nächstes betrachten wir den Gyroradius oder Larmor-Radius als gegeben durch:

$$\rho_{cs} = \frac{ v_{\perp} }{ \Omega_{cs} } = \frac{ \gamma \ m_{s} \ v_{\perp} }{ Z_{s} \ e \ B_{o} } = \frac{ m_{s} \ c \ \sqrt{\gamma^{2} - 1} }{ Z_{s} \ e \ B_{o} }$$ Wo $v_{\perp}$ist die Geschwindigkeit des geladenen Teilchens orthogonal zu $\mathbf{B}_{o}$Und $c$ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.

Anwendung
Wenn wir ein Teilchen von seiner fast ballistischen Flugbahn ablenken wollen, müssen wir den Gyroradius (hoffentlich viel) kleiner machen als die Größe der Region, die wir schützen wollen.

Für ein 10-MeV-Elektron beträgt der Gyroradius ~88 km in einem 400-nT-Feld (d. h. typische Feldstärken bei ~4-5$R_{E}$Höhen). Das Feld der Erde beträgt ungefähr 30.000 nT (es variiert von Äquator zu Pol, aber verwenden Sie dies einfach, um es einfacher zu machen). Somit hat ein 10-MeV-Elektron einen Kreiselradius von ~1,2 km, immer noch viel größer als die ISS .

Wenn wir die Felder auf 1 T erhöhen, ändert sich der Gyroradius des gleichen 10-MeV-Elektrons auf ~35 mm (oder ~$3.5 \times 10^{-5}$km), was sinnvoller erscheint. Die Erzeugung von 1-T-Feldern erfordert jedoch typischerweise sehr massive Magnete, und Protonen haben bei gleicher Geschwindigkeit einen um einen Faktor von fast 1800 größeren Kreiselradius. Die Kosten für den Start von Dingen in den Weltraum sind sehr hoch und der Preis hängt von der Masse ab. Vielleicht sind Magnete also nicht die beste Option?

Im Allgemeinen haben die Menschen auf der ISS kleine Schutzräume, in denen sie sich bei geomagnetischen Stürmen verstecken können , aber sie werden hauptsächlich nur durch Partikel unter etwa 10 MeV geschützt. Das ist in Ordnung, denn unterhalb dieser Energie sind die höchsten Flüsse, also die größte Belastung.

Oberhalb von 10 MeV gibt es wenig zu tun und ehrlich gesagt gibt es Gründe, warum Sie nicht versuchen wollen, solche Partikel zu stoppen. Suchen Sie beispielsweise nach Artikeln zur linearen Energieübertragung . Bei extrem hohen Energien wird das Teilchen beim Durchgang tatsächlich sehr wenig Energie auf Sie übertragen (obwohl es alles auf seinem Weg zerstören wird). Obwohl ich denke, dass es besser ist, eine Zelle zu zerstören, als sie zu beschädigen, weil der Körper die zerstörte Zelle einfach töten und absorbieren wird. Während Reparaturen zu Fehlern führen können, die sich auf Dinge wie Krebs übertragen können ( Anmerkung: Ich bin kein Onkologe oder Zellbiologe, daher würde ich empfehlen, selbst mehr zu diesem Thema zu lesen und meine Aussagen zu überprüfen. ).

Alternative
Eine andere Methode besteht darin, Materialien mit hohem Wasserstoffgehalt (z. B. Polyethylen ) als Form des Schutzes zu verwenden . Solche Materialien neigen dazu, geladene Teilchenstrahlung (und auch Neutronen) ziemlich gut zu absorbieren, müssen aber nicht unbedingt dicht, also nicht massiv sein. Hoch$Z$Materialien wie Blei , Wolfram und Tantal sind massiv und daher teuer in den Weltraum zu bringen.

Daher ist der kostengünstigste und praktischste Ansatz der derzeit verwendete, bei dem im Wesentlichen Styropor verwendet wird.

Kleinere Anwendungen
Bei kleinen Instrumenten für Raumfahrzeuge, wie etwa bei den Van-Allen-Sonden , werden mehrere Schichten aus verschiedenen Materialien wie Wolfram, Aluminium , Niob und Tantal verwendet . Aufgrund seiner Stabilität gibt es gelegentlich Verwendungen für schwerere Metalle wie Gold .

Aktualisierungen
Nachfolgend finden Sie eine Liste von Energien, Lorentz-Faktoren und entsprechenden Geschwindigkeiten für ein Proton angesichts der Energien in der ersten Spalte.

Energie [MeV] | Lorentz-Faktor | Geschwindigkeit [km/s]
--------------------------------------------
  1.0000000 | 1.0010658 | 13830.070
  10.000000 | 1.0106579 | 43423.141
  100.00000 | 1.1065789 | 128369.78
  1000.0000 | 2.0657890 | 262326.09
  10000.000 | 11.657890 | 298687.48
  100000,00 | 107,57890 | 299779.51
  1000000,0 | 1066.7890 | 299792.33

Die entsprechenden relativistischen Gyroradien eines Protons in einem 1 T-, 100 T- und 1000 T-Magnetfeld (unter der Annahme, dass die gesamte kinetische Energie in einer Geschwindigkeit orthogonal zu ist$\mathbf{B}_{o}$) Sind:

Energie [MeV] | p Kreiselradius | p Kreiselradius | p Kreiselradius
             | [m, 1T] | [m, 100T] | [m, 1000T]
-------------------------------------------------- --------
  1.0000000 | 0,1445355 | 0,0014454 | 0,0001445
  10.000000 | 0,4581554 | 0,0045816 | 0,0004582
  100.00000 | 1.4829707 | 0,0148297 | 0,0014830
  1000.0000 | 5.6573732 | 0,0565737 | 0,0056574
  10000.000 | 36.351669 | 0,3635167 | 0,0363517
  100000,00 | 336.67930 | 3.3667930 | 0,3366793
  1000000,0 | 3338.7693 | 33.3876930 | 3.3387693