Влияние магнитного и электрического щита поля на защиту экипажа космического корабля

Растущий императив для космического радиационного щита

По мере того, как человечество начинает свои взгляды на более длительные и более амбициозные космические миссии - возвращение на Луну, установление устойчивого присутствия на низкой околоземной орбите и, в конечном счете, отправка экипажей на Марс - одна из самых стойких и опасных угроз - это космическое излучение. В отличие от Земли, где магнитное поле и атмосфера обеспечивают защитное покрывало, космические корабли и их экипажи подвергаются непрерывному потоку частиц высокой энергии: галактические космические лучи (GCR) из остатков сверхновых и активных галактических ядер, а солнечные энергетические частицы (SEP) выбрасываются во время солнечных вспышек или корональных выбросов массы. Длительное воздействие может привести к острой лучевой болезни, повышенному риску развития рака, повреждению центральной нервной системы и другим дегенеративным эффектам.

Традиционное пассивное экранирование - слои алюминия, воды или полиэтилена - предлагает степень защиты, но с серьезным массовым штрафом. Для миссий в глубоком космосе, несущих достаточное физическое экранирование, чтобы значительно снизить скорость дозы, резко увеличит затраты на запуск и ограничит грузоподъемность. Эта реальность заставила исследователей исследовать активные технологии экранирования, которые используют магнитные и электрические поля для отклонения или отталкивания заряженных частиц до того, как они достигнут отделения экипажа. Эти полевые подходы имитируют защитные механизмы планетарных магнитосфер, эти полевые подходы обещают легкое, регулируемое и потенциально благоприятное решение.

Понимание космической радиационной среды

Чтобы оценить вызов, он помогает понять, с чем сталкиваются космонавты.

Галактические космические лучи (GCRs)

GCRs - высокоэнергетические протоны, альфа-частицы и тяжелые ядра (например, железо, углерод, кислород), которые пронизывают межзвездное пространство. Их энергии варьируются от десятков МэВ/нуклона до нескольких GeV/нуклонов - намного превышающих то, что могут остановить типичные физические щиты. Например, 10-сантиметровая алюминиевая стенка обеспечивает менее 50% снижение эффективной дозы от GCR, потому что частицы генерируют вторичные потоки нейтронов и других фрагментов, когда они сталкиваются с защитным материалом. Эти вторичные частицы могут фактически увеличить биологическую опасность. поток GCR относительно постоянен с течением времени, но изменяется в солнечном цикле - выше во время солнечного минимума, когда магнитное поле гелиосферы слабее.

Солнечные энергетические частицы (SEP)

СЭП, в первую очередь протоны и альфа-частицы с энергиями до нескольких сотен МэВ, прибывают в всплесках продолжительностью от нескольких часов до нескольких дней после солнечных вспышек или корональных выбросов массы. Большое событие СЭП может доставить смертельную дозу за короткое время, если астронавты не защищены. В отличие от ГЦР, СЭП легче защитить от пассивного материала, но масса, необходимая для «штормового укрытия», по-прежнему значительна. Динамический активный щит может быть активирован только во время таких событий, экономя массу и мощность в спокойные периоды.

Биологические последствия

Основными проблемами радиационного воздействия в космосе являются индукция рака (стохастические эффекты) и детерминированные эффекты, такие как повреждение центральной нервной системы, сердечно-сосудистой системы и глазных линз. Проект NASA Space Radiation Health Project документально подтвердил, что показатели дозы на миссии на Марсе могут приблизиться к пределам воздействия на карьеру, установленным в настоящее время для астронавтов, что делает некоторую форму расширенного экранирования не подлежащим обсуждению требованием для длительных миссий, длящихся год или более.

Как работает магнитное щитовое

Магнитное экранирование использует силу Лоренца, которая действует на заряженную частицу, движущуюся через магнитное поле. Когда положительно заряженный протон перемещается перпендикулярно линии магнитного поля, он испытывает силу, перпендикулярную как его скорости, так и направлению поля, заставляя его спирально и потенциально отвернуться от защищенного объема. Ключевым параметром является магнитная жесткость частицы - продукт ее импульса и состояния заряда. Чтобы отклонить типичное ядро железа GCR с кинетической энергией 1 ГэВ / нуклон, требуется магнитное поле примерно 1-5 тесла, ограниченное областью всего в несколько метров в поперечнике.

Сверхпроводящие электромагниты

Практический магнитный экран для космических аппаратов полагается на сверхпроводящие электромагниты для создания сильного, стойкого поля без потребления огромной электрической мощности.Обычные сверхпроводящие материалы (например, ниобий-титан или ниобий-тин) должны быть охлаждены до криогенных температур, как правило, ниже 10 К. Последние достижения в высокотемпературных сверхпроводниках (например, YBCO) работают выше температуры жидкого азота (77 К), значительно снижая требования к охлаждению. Несколько концепций миссии предлагают тороидальное или соленоидное магнитное поле, обернутое вокруг среды обитания экипажа, создавая магнитный барьер, который сметает большинство входящих заряженных частиц.

Магнитная геометрия поля и вес

Геометрия магнитного поля имеет решающее значение. Простой соленоид создает однородное поле внутри, но сильное дипольное поле снаружи, которое может взаимодействовать с электроникой космических аппаратов и чувствительными инструментами. Тороидальная конфигурация (как пончикообразная катушка) ограничивает поле вблизи катушек, уменьшая бродячие поля. Исследователи из программы NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) изучили концепцию «Магнитного щита космического корабля», которая использует несколько сверхпроводящих катушек для создания защитного пузыря с минимальной массой — порядка нескольких метрических тонн для модуля экипажа по сравнению с десятками тонн пассивного экранирования.

Как работает электрическое поле

Электрическое поле экранирования, также известное как электростатическое экранирование, использует высоковольтный потенциал для отталкивания заряженных частиц того же знака. Если корпус космического корабля заряжен на высокое положительное напряжение (например, +100 кВ), положительно заряженные протоны отталкиваются и отрицательно заряженные электроны притягиваются. Поскольку отсек экипажа будет находиться внутри проводящей клетки Фарадея, внутренняя часть остается в безопасном потенциале. Сила отталкивания пропорциональна заряду на частице и силе электрического поля на поверхности космического корабля.

Требования к напряжению и мощности

Например, чтобы остановить протон 100 МэВ, космическому кораблю потребуется потенциал порядка 100-200 кВ относительно окружающей плазмы. Поддержание этого напряжения в вакууме пространства является сложной задачей, потому что космический корабль будет естественным образом собирать заряд из окружающей плазмы, и высокое поле может вызвать пробой или дугообразование. Одно решение заключается в использовании многослойной «активно экранированной» структуры, которая генерирует градиент потенциалов, постепенно замедляя частицы до того, как они достигнут корпуса. Другой подход, концепция магнитного плазменного движения и щита (M2P2), создает магнитный пузырь, который надувается плазмой; электрическое поле в плазме затем отклоняет частицы.

Преимущества и недостатки

Электрическое экранирование может быть легче магнитного экранирования, поскольку оно требует только высоковольтной генерации и не требует массивных сверхпроводящих катушек. Это также позволяет осуществлять динамический контроль: напряжение может регулироваться в реальном времени на основе потока излучения. Однако электрическое экранирование менее эффективно против нейтральных частиц или нейтронов, а высокие напряжения представляют опасность для экипажа и оборудования. Кроме того, эффективность падает для очень высокоэнергетических GCR, потому что кинетическая энергия частицы перегружает электростатический потенциал. Большинство предложений предусматривают объединение электрического и магнитного экранирования для оптимального покрытия.

Основные преимущества перед традиционным пассивным щитом

• Сниженная масса: Полевое экранирование может достичь сопоставимого или лучшего снижения дозы с долей массы.Тороидальный сверхпроводящий магнит весом 1-3 метрических тонн может обеспечить затухание, эквивалентное 10-20 тоннам полиэтилена или воды.
• Адаптивная защита: Активные системы могут включаться во время солнечных событий и замедляться в тихие периоды, экономя энергию и продлевая жизнь компонентов. Они также могут быть настроены на отклонение конкретных энергий частиц путем регулировки напряженности поля или напряжения.
• Минимизированное вторичное излучение: В отличие от пассивного экранирования, которое генерирует вторичные нейтроны и гамма-лучи от ядерных взаимодействий, магнитное отклонение не создает значительных вторичных частиц — частицы просто управляются.
• Интеграция с системами космических аппаратов: Сверхпроводящие магниты могут быть интегрированы в структурные элементы, такие как надувные стены среды обитания или обшивка космического корабля. Система охлаждения магнитов может совместно использовать криоохладители с другими научными инструментами или хранением топлива.
• Потенциал для генерации энергии: сильное магнитное поле, необходимое для экранирования, также может быть использовано для генерации электроэнергии с помощью магнитогидродинамических (MHD) принципов, если космический корабль движется через космическую плазму, хотя это остается спекулятивным.

Технические и операционные проблемы

Несмотря на свои обещания, технологии защиты на местах сталкиваются со значительными препятствиями, прежде чем они смогут летать в оперативных миссиях.

Потребление энергии и управление теплом

В то время как сами сверхпроводящие магниты не потребляют никакой энергии после того, как установлено поле (постоянный режим), начальная зарядка и криоохладители, необходимые для поддержания криогенных температур, требуют значительной энергии. Типичная энергетическая система космического корабля (диапазон киловатт) может быть недостаточно. Для электрического экранирования, поддержание сотен киловольт при низком токе также требует изолированных источников питания и надежной изоляции. Отходы тепла от криоохладителей должны быть излучены в космос, что добавляет к сложности управления температурой.

Магнитное поле взаимодействия

Сильные магнитные поля могут мешать авионике космических аппаратов, чувствительным инструментам и здоровью экипажа. Поле 1 Т вблизи экипажа может воздействовать на кардиостимуляторы, вызывать вихревые токи и нарушать дисплеи. Необходимы магнитное экранирование электроники (му-металлические корпуса) и надлежащее полевое замыкание (тороидальная геометрия). Взаимодействие с магнитным полем Земли или солнечным ветром может создавать крутящие моменты, которые должны быть нейтрализованы двигателями управления отношением. Для миссий за пределами земной орбиты межпланетное магнитное поле слабое, но все еще актуальное.

Усмирение и безопасность

Если сверхпроводящий магнит заглушается (потеряет сверхпроводимость из-за повышения температуры или механического шока), накопленная энергия сбрасывается в виде тепла, потенциально повреждая катушки и высвобождая опасную магнитную силу. Требуются избыточные системы, схемы защиты от заглушения и надежная механическая поддержка. При электрическом экранировании внезапный разряд может повредить электронику или травмировать экипаж. Неудачные конструкции являются активной областью исследований.

Материальная деградация

Сами сверхпроводящие катушки подвержены радиационному повреждению от отклоняемых частиц. Нейтронные и гамма-потоки могут со временем ухудшать критическую плотность тока сверхпроводников. Защита обмоток легкими материалами добавляет массу, но может быть необходима для длительных миссий. Европейское космическое агентство (ESA) исследует закаленные радиацией сверхпроводящие ленты и пассивные экранирующие слои по этой причине.