תפקיד המגן המגנטי משימות חלל עמוק בעתיד

הצורך הגדול בקרינת חלל

בעוד האנושות מציבה את המראות שלה על משימות חלל שאפתניות למאדים, הירח ומעבר לכך, אחד האתגרים הקריטיים ביותר העומדים בין אסטרונאוטים לקוסמוס הוא חשיפה לקרינה.בסבבי כדור הארץ התחתון, תחנת החלל הבינלאומית מרוויחה מההגנה חלקית של השדה המגנטי של כדור הארץ, אך ברגע שצוותים מיזמים רחוק יותר, רשת הביטחון נעלמת ללא מגן יעיל, אסטרונאוטים עומדים בפני סיכונים בריאותיים משמעותיים מפני קרינה גלקטית ואסונות אוויריים ואסונות אוויריים חזקים ביותר, בין החלקיקים, והופכים את המציאות המבטיחה, כך שעדיין לא פחות מתחום האטומית, כך שביכולתנו להפוך את המציאות למגנטית, כך שביכולתנו להגן על פני כדור הארץ לתפיסה מגנטית, כך שביכולתנו להגן על פני כדור הארץ.

מה זה מגן מגנטי?

מגן מגנטי פועל על ידי יצירת שדה מגנטי סביב חללית כדי להסיט חלקיקים מואשמים הרחק מן תא הצוות. גישה זו מחקה את השדה המגנטי הטבעי של כדור הארץ, אשר פועל כמגן בקנה מידה פלנטרי נגד רוח השמש וקרינה קוסמית. במקום להסתמך על מכשולים פיזיים עבים שמוסיפים מסה ועלויות, מגנים מגנטיים מממים כוחות אלקטרומגנטיים כדי להפניית חלקיקים מזיקים לפני שהם יכולים לתקשר עם רקמות ביולוגיות או אלקטרוניקה רגישה.

העיקרון אינו חדש. Active Defing מושגים נחקרו מאז ימי חקר החלל המוקדמים, אך רק לאחרונה יש התקדמות בחומרים מדע ואחסון אנרגיה הביא אותם קרוב יותר ליישום מעשי.הרעיון המרכזי הוא להקיף את החללית עם שדה מגנטי חזק מספיק כדי להדוף פרוטונים באנרגיה גבוהה, אלקטרונים, וצלים כבדים השולטים סביבות קרינה חלל עמוקות.

איום הקרינה בחלל העמוק

קרינה מהחלל החיצון שונה באופן יסודי ממה שאסטרונאוטים חווים במסלול כדור הארץ נמוך.שני מקורות עיקריים מהווים סיכונים. קרניים קוסמיות גלקטיות הן חלקיקים עתירי אנרגיה גבוהים שמקורם בסופרנובה ואירועים אסטרופיזיים אחרים.הם כל הזמן מפציצים הכל במערכת השמש וקשה מאוד לחסום אירועים חלקיקים סולאריים, לעומת זאת, הם התפרצויות אינטנסיביות של פרוטונים וסטיות כבדות יותר במהלך התלקחויות סולאריות וגורמים מסוכנים אפילו קרינה או אפילו לא יכולים לספק קרינת מוות.

ללא מגנטיות כדור הארץ כדי להדוף את החלקיקים האלה, אסטרונאוטים למסע למאדים יצטברו מינונים קרינה הרבה מעבר לגבולות הכיבוש הנוכחיים לטיסה בחלל.ה-FLT:0irFLT:1NASA Human Research Program:2reaFLT 3:2reaFLT 3 תועדו כי משימת עגולה עלולה לחשוף אסטרונאוטים לרמות קרינה שמגבירות את הסיכון של מספר נקודות מקובלות על פני השטח הזה.

כיצד פועל מגן מגנטי

מגן מגנטי פועל על העיקרון של כוח לורנץ.כאשר חלקיקים טעונים לעבור דרך שדה מגנטי, הם חווים כוח perpendicular שלהם ואת הכיוון השדה. על ידי יצירת שדה מגנטי גדול סביב החללית, מעצבי המשימה יכולים לעקוע את הטרק של חלקיקים נכנסים הרחק מן בית הגידול.היעילות מגן תלויה על הכוח המגנטי, השדה, האנרגיה של החלקיקים.

המחקר הנוכחי מתמקד בשתי תצורה עיקריים.גישה אחת משתמשת בדלגן מגנטי גדול אחד או סודנואיד סביב מודול הצוות. רעיון אחר כרוך זוג של סלילים מקונן שיוצר שדה טורואיד או דיפול, יותר דומה לזה של מגנטיוספרה של כדור הארץ.הבחירה של תצורה משפיעה על דרישות כוח, מסה, ואת מידת ההגנה.

התפקיד של Superconductors

יצירת שדות מגנטיים חזקים בחלל דורש זרם גדול באמצעות מוליכים קונבנציונליים או השימוש של מוליכים על-ידי האמנה אלקטרומגנטים ידרוש כוח עצום ויפיק חום פסולת שקשה לנהל בוואקום של החלל. Superconducting מגנטים, הפעלה בטמפרטורות Cryogenic, יכול לשאת זרמים גדולים ללא התנגדות חשמלית ועם קלט חשמל מינימלי.

שדה גאומטריה ובטיחות צוות

היבט חשוב של מגן מגנטי הוא הצורה והכילה של השדה המגנטי.שדה מעוצב בצורה גרועה יכול לחשוף את הצוות להגנה לא אחידה או ליצור אזורים מקומיים של פלוקס מגנטי גבוה שעלולים להוות חששות בריאותיות.שדה חייב לכלול את בית הגידול כולו ללא הפרעה עם מכשירים מדעיים רגישים או מערכות הנעה מחשב הפך כלי חיוני עבור תצורה של שדה מבוזר, המאפשר מהנדסים כדי לדמות חלקיקים והגנתיות לפני בניית יעילות.

יתרונות של הגנה מגנטית על פני מעבר לים

מגן פסיבי משתמש בחומרים פיזיים כגון פוליאתילן, מים או regolith כדי לספוג או להאט את הקרינה. בעוד מגן פסיבי הוא פשוט מבחינה קונספטואלית ומשמש במשך עשרות שנים, הוא נושא חסרונות משמעותיים עבור משימות חלל עמוק. כמויות גדולות של מסה נדרשים לעצור קרינה קוסמית באנרגיה גבוהה, והוספת מגן כבד על עלויות שיגור דרמטיות ומפחית את יכולת המטענים.

מגן מגנטי מציע כמה יתרונות משכנעים.קודם, זה יכול להיות הרבה יותר קל מאשר מגן פסיבי שווה ערך. גנרטור שדה מגנטי יכול לשקול חלק מהמסה הנדרשת עבור אלומיניום או מחסום פוליאתילן. שנית, מערכות פעילות יכול להיות מותאם בתגובה להחלפת רמות קרינה. ארועי חלקיקים סולאריים להשתנות אינטנסיביות, ומגן מגנטי יכול להיות מופעל גם במהלך סופות ולוחם חזרה לשחית רגילה, כי השדה הוא נוצר באופן חשמלי, או מופעל על ידי מערכות חשמל סולאריות אחרות.

יתרון נוסף הוא יכולת reusability.בניגוד למגן פיזי המידרדר לאורך זמן מהשפעות חלקיקים, שדה מגנטי אין ללבוש ודמיע.חומרה זו יכולה להגן על החללית למשך כל תקופת המשימה, כולל מסעות מרובים.זה הופך מגן מגנטי במיוחד אטרקטיבי עבור משימות הדורשות שהייה ממושכת בחלל עמוק או טיולים חוזרים בין כדור הארץ למאדים.

אתגרים טכניים לOvercome

למרות ההבטחה שלה, הגנה מגנטית מול מכשולים טכניים משמעותיים כי חוקרים עובדים באופן פעיל כדי לפתור.האתגר המיידי ביותר הוא צריכת חשמל.יצירת שדות מגנטיים ברמה הקילוגוס הדרושים להגנה יעילה דורש אנרגיה הרבה מעבר למה חללית הנוכחית יכולה בקלות לספק.ד דחף טיפוסי של הול-אפקט המשמש להנעה שואב כמה קילווואט, אבל מגמנט גדול של מגנט יכול לדרוש עשרות קילו-וואט, כמו גם דרישות כוח מתקדמות, כמו זעקות כוח.

שדה מגנטי המכיל שדות סטרי

המכיל את השדה המגנטי כך שהוא לא מפריע לאלקטרוניקה הוא נושא חשוב נוסף.שדות מגנטיים חזקים יכולים לגרום זרמים חוטים, להשפיע על חיישנים רגישים, ולשיבוש ציוד תקשורת.מגן מודול הצוות גם אומר להבטיח שהשדה אינו מתרכז היכן שאסטרונאוטים עובדים.חשוף לשדות מגנטיים חזקים סטטיים, אנשי צוות יכולים לחוות רטיגו, זרם חשמלי המושרה בגוף, או עם השתלות מרפאים רפואיים מכילים מחסנים מתאימים.

מתינות טכנולוגית

(המושגים המגנים הנוכחיים נותרו בשלב הניסויי.רוב הבדיקות נערכו במעבדות באמצעות אבטיפוס בקנה מידה קטן או סימולציות מחשב.לא נבדקו על ידי מגן פעיל בקנה מידה מלא בחלל, והמעבר מהרעיון לחומרה מתעופפת ידרוש שנים של פיתוח.חומרים שיכולים לפעול באופן אמין בסביבה החלל, כי מבעוטנים שיכולים לתפקד במשך שנים ללא תחזוקה, משקל ותמיכה בכל המבנים הדרושים עוד יותר ל-FLT2A: אינטגרציה מתקדמת:

Mass and Volume Trade-offs

בעוד מגנה מגנטית היא קלה יותר מאשר מגן פסיבי בעיקרון, המערכת המלאה כולל מקור כוח, קריאות, קורנטורים, ותומכת מבנית עשויים לא להיות קלים כמו קיווה.החיסכון ההמוני תלוי במידה רבה באדריכלות המשימה הספציפית.עבור לטווח קצר הירח, מגן פסיבי קטן יותר עשוי להיות פשוט וזול יותר.עבור משלחת מאדים רב שנתית, חיסכון ההמונים ממגן מגנטי יכול להפוך מכריע, אבל רק אם מערכות אמינות ואמין.

מפת דרכים מחקר ופיתוח

מחקר למגן מגנטי התגבר בעשור האחרון, מונע על ידי מטרות אסטרטגיות של סוכנויות חלל והתעניינות גוברת מתעשייה פרטית.כמה קבוצות מחקר נבנו מפגינים בקנה מידה קטן.ב-FLT:0reaFLT:1 European Space Research and Technology CenterreaFLT:2FLT 3:2FLT:3, מדענים בחנו מגנטים מורכבים בתאי הריקים והמדדו את שיעור הניבוי של מחשבים אלה, כדי לנבא את המודלים של ביצועים בסיסיים.

אוניברסיטאות ומעבדות לאומיות גם תורמים.קבוצות ביפן, סין וארצות הברית חוקרות חומרים חדשים המבוססים על טמפרטורות גבוהות יותר, צמצום דרישות קירור. אחרים חוקרים מושגים היברידיים המשלבים הגנה מגנטית פעילה עם הגנה פסיבית מקומית לאזורים רגישים כמו רובעי שינה.גישות היברידיות אלה יכולות להציע איזון אופטימלי בין הגנה, מסה וצריכת חשמל.

על הכביש לפריסה, הצעד ההגיוני הבא הוא הפגנה בחלל. הצעות נעשו כדי לחבר מגן מגנטי אבטיפוס לשער הירח או לוויין מבחן חופשי במסלול כדור הארץ גבוה.משימה כזו תמדד קרינת אמת, בדיקת סיבולת של מערכות Cryogenic במיקרו-גרביטציה, ואימות שדה מכיל סביבה ריאלית.

הדרך למאדים ומעבר

מגן מגנטי אינו מושג הגנה מפני קרינה בלבד, אלא הוא אחד הגישות המגוון ביותר.אלטרנטיבה כוללים מגן אלקטרוסטטי פעיל, המשתמש שדות חשמליים ולא שדות מגנטיים, ומגן פסיבי באמצעות regolith או מים מאוחסנים בקירות החללית.כל שיטה יש מגנים אלקטרוסטטיים פעילים היטב עבור חלקיקים אנרגיה נמוכה, אך הם פחות יעילים עבור קרינה קוסמית גבוהה.

למסע למאדים, אשר ייקח בערך שישה עד תשעה חודשים בכל דרך, המינון הקרינה מצטבר בהתמדה.ללא מגן פעיל, אסטרונאוטים יכולים לעלות על גבולות הקרינה של החיים מוקדם במשימה, לצמצם את יכולתם לחקור את פני השטח או לנהל מדע.מגן מגנטי, אם הוא הבין לחלוטין, יכול להפחית את המינון למגבלות מקובלות, ומאפשרים להישאר יותר ויותר משימות.

במבט קדימה, מגן מגנטי יכול לאפשר משימות מאוישות לחגורת האסטרואיד, הירחים Jovian, או אפילו טיסות מפרש בין כוכביות.As החללית לנוע רחוק יותר מהשמש, ההגנה הטבעית של ההליוסספירה נחלשת, ואת נחיתות קרינת קוסמית של קרניים גדל. Active מגן הופך חיוני להישרדות יתר על כן, אותו שדה מגנטי המשמש להגנה על קרינה יכול גם להיות ממונף עבור פלזמה, מרתיעה, או להצדיק את המשאבים השחית, או מחץ פעיל.

סינרגיות עם נטייה גרעינית

מערכות הנעה תרמית או גרעינית מייצרות כמויות גדולות של כוח, אשר יכול להיות משותף עם מגן מגנטי. חללית גרעינית מופעלת גרעינית יהיה תקציב האנרגיה הדרוש כדי לקיים שדה מגנטי חזק ברציפות.בנוסף, הכור הגרעיני עצמו מייצר קרינה כי יש להגן על הצוות, והמגן המגנטי יכול לשמש חובה כפולה על ידי הגנה מפני חלקיקים וקרינה סביבתית של כור זה יכול להפחית את המורכבות הכוללת.

מסקנה

מגן מגנטי מייצג טכנולוגיה טרנספורמטיבית לחיפוש בחלל עמוק.על ידי יצירת מגנטיות מלאכותית סביב חללית, הוא מתייחס לאסטרונאוטים הסביבתיים המסוכנים ביותר העומדים בפני מעבר למסלול כדור הארץ נמוך, בעוד דרישות כוח, היצע שדה, וגרות טכנולוגית נותרו אתגרים, ההתקדמות במגנטים מוליכים על פני מערכות כוח, ומודל חישובי הוא מעודד סוכנויות חלל, מוסדות מחקר, וחברות פרטיות מתמזגים על יכולת פעילה כמו מגן קריטי של חלל אנושי.

אף טכנולוגיה אחת לא תפתור את בעיית הקרינה לבדה, ומגן מגנטי יתאחד עם חומרים משופרים, תכנון המשימה, ואמצעי נגד רפואי.אבל כאסטרטגיה הגנתית הליבה, הוא מציע את ההזדמנות הטובה ביותר לשמור אסטרונאוטים בטוחים במסעות ארוכים קדימה.העשור הבא יהיה מכריע כמו אבטיפוס לעבור ממעבדות למסלול, ומהנדסים לחדד את העיצובים שיום אחד יגן על הצוותים הראשונים להגיע למאדים ומעבר.