Магнит на столе доказал реальность лучевого щита для звездолётов

Рукотворная магнитосфера прикрывает Enterprise от солнечной радиации. Сам корабль из популярного сериала останется фантастикой ещё не одно десятилетие, а вот «щит» может появиться на пилотируемых космических аппаратах куда раньше (иллюстрация Rutherford Appleton Laboratory).

Никогда за время полётов в космос, за исключением сравнительно коротких лунных экспедиций, человек не оказывался достаточно далеко от Земли, чтобы выйти из-под влияния её магнитосферы, прикрывающей нас от солнечных вспышек. А для рейсов на Марс или дальше инженерам придётся решать задачу защиты экипажа от губительной радиации. Возможно, выходом окажется «магнитоплазменный щит», прообраз которого недавно испытали учёные.

Астронавтам из миссий Apollo просто повезло. Все экспедиции пришлись на те дни, когда солнечный ветер был не очень силён. Хотя в те годы и случались вспышки, в которых поток заряженных частиц от Солнца возрастал настолько, что мог бы поставить под угрозу не только здоровье, но даже жизнь покорителей космоса.

С Международной космической станцией дело обстоит проще. Во-первых, в значительной степени её защищает земная магнитосфера. Во-вторых, пусть и крайне разреженная атмосфера планеты, всё ещё присутствующая на высоте полёта МКС (примерно 400 км), тоже способствует защите. В-третьих, у космонавтов и астронавтов есть возможность на время вспышек укрываться в отсеке с более толстой изоляцией.

(И всё равно британцы предлагают пристыковать к МКС дополнительное убежище с ещё более мощными противорадиационными стенками.)

На Луну и дальше – на Марс – открывать новые земли. Космическая радиация ставит большой знак вопроса на этих честолюбивых планах (иллюстрация ESA).

Основная опасность солнечного ветра проистекает от высокоэнергетических (10-100 мегаэлектрон-вольт, а в отдельных случаях до 1010 эВ) частиц, 90% которых составляют протоны, ещё 9% — альфа-частицы, а остальное в основном электроны, хотя попадаются также самые разнообразные ядра тяжёлых элементов.

Поток этот крайне разрежен, но зато несётся со скоростью от 300 до (в отдельные моменты времени) 1200 км/с, что позволяет частицам легко проникать через стенки корабля, вонзаться в тела астронавтов, повреждая клетки и, что особенно опасно, ДНК.

И главное — это плазменное течение непостоянно, а сильно зависит от погоды на Солнце. Потому в длительных межпланетных полётах (добираться до Марса придётся порядка восемнадцати месяцев) попасть в удачное «окно», как в случае с «Аполлонами», — не получится. Наращивать слои биозащиты? Это очень заметно увеличит массу корабля, которую инженеры стараются снизить всеми возможными способами.

Даты полётов Apollo (голубые вертикальные линии с номерами экспедиций) и уровни потока протонов от Солнца (жёлтые вертикальные чёрточки). Нелинейная шкала справа – доза радиации в единицах REM. Горизонтальные линии отмечают уровни для сравнения: светло-жёлтая – средняя годовая доза на уровне Земли, жёлтая – годовая доза работников АЭС и других производств, связанных с радиацией, оранжевая — лучевая болезнь, красная – смертельная доза (иллюстрация NASA).

А может, воспользоваться «патентом природы»? Коли земная магнитосфера так хорошо защищает нас от солнечных вспышек, можно ли воспроизвести её в маленьком масштабе на борту космического корабля?

Идее этой самой по себе — много лет. Но не всё с ней так просто. Ещё в 1960-х годах учёные посчитали, что только приличных размеров (более 100 километров в поперечнике) магнитный пузырь мог бы оказаться достаточно эффективным, чтобы уводить тяжёлые заряженные частицы в сторону от корабля.

Для создания такого поля на пилотируемый аппарат пришлось бы ставить столь крупные и тяжёлые катушки индуктивности и столь мощные источники электроэнергии (не вполне понятно — какие), что вся затея теряла смысл — проще было бы банально нарастить стенки.

Слева: простая стальная защита (или из иного плотного материала) недостаточна, даже при толщине в несколько сантиметров. Высокоэнергетические частицы солнечного ветра проникают сквозь неё либо производят вторичную радиацию. Справа: простое магнитное поле заставляет протоны и электроны закручиваться вокруг своих силовых линий. Это разнонаправленное вращение создаёт разделение зарядов, которое генерирует электрическое поле, в конечном итоге тормозящее ионы. Увы, для защиты корабля по такой схеме магнитное поле должно быть очень и очень сильным (иллюстрация Rutherford Appleton Laboratory).

Поэтому от магнитной защиты отказались. Но не навсегда. Ныне с новыми знаниями и новыми техническими возможностями к ней вернулись вновь.

Международная группа учёных во главе с Рут Бамфорд (Ruth Bamford) из британской лаборатории Резерфорда и Эплтона (Rutherford Appleton Laboratory — RAL) разработала проект «Мини-магнитосферы» (Mini Magnetosphere), которая могла бы закрыть корабль от космических лучей.

Исследователи посчитали, что чистый магнитный барьер действительно не справился бы с задачей (как и чистая электростатическая защита или «голый» плазменный барьер), но мини-магнитосфера, сходная с природной, — вполне сработала бы.

Это должно быть не просто магнитное поле, но сочетание поля с плазменным барьером, контролируемым этим самым полем. Такой барьер образуется из самих частиц солнечного ветра, набегающего на корабль, и этот же барьер взаимодействует с остальным потоком, а также с магнитным полем Солнца (очень слабым, но всё равно присутствующим даже на расстоянии, разделяющем Землю (или Марс) и наше дневное светило).

С учётом взаимодействия всех ингредиентов (потока высокоскоростной плазмы от Солнца, плазмы в барьере вокруг корабля, магнитного поля Солнца и поля корабля, а также токов, наводимых в плазме) магнитный щит может генерировать компактную диамагнитную полость вокруг космического аппарата, в которую солнечные космические лучи проникать практически не будут (иллюстрации Rutherford Appleton Laboratory).

Предыдущие исследования упускали из виду сложное взаимодействие сил в динамической квазинейтральной плазме, пронзаемой магнитным полем, — утверждают нынешние экспериментаторы. Везде, где есть плазма с различными по плотности и температуре областями, есть и собственные её локальные поля, поясняют учёные.

Прогресс в области токамаков — прообразов реакторов синтеза, где взаимодействию плазмы и поля уделяется огромное внимание, – позволил исследователям из Британии, Португалии и Швеции по-новому взглянуть на проблему магнитного щита для космических кораблей. Он фактически должен включать в себя все три активные защиты, рассмотренные ранее (плазменную, магнитное и электрическое поля), причём именно взаимодействие всех трёх приводит к желаемому результату.

В прошлом году участники проекта провели компьютерное моделирование, показавшее, что магнитный пузырь с поперечником порядка сотни метров (всего-то, сравните со 100 км в предыдущих работах) мог бы закрыть экипаж от действия солнечной радиации. Этот вывод был подтверждён в  лаборатории, где команда Mini Magnetosphere построила миниатюрный прототип такой защиты.

Тут, кстати, надо сказать, что хотя и галактические космические лучи тоже способны нанести вред здоровью экипажа, главную угрозу путешественникам несут всё же солнечные космические лучи, интенсивность которых резко возрастает во время вспышек.

Один из участников эксперимента Джон Брэдфорд (John Bradford) из RAL наблюдает за опытной установкой, создающей «солнечный ветер в бутылке». Магнит внутри этой трубы воспроизводит в миниатюрном масштабе защитное поле нашей планеты (справа) (фото и иллюстрация Rutherford Appleton Laboratory).

Для опыта учёные воспользовались аппаратом LinX, ранее задействованным в экспериментах по изучению взаимодействия плазмы с рядом деталей токамаков. В основе установки — вакуумная труба диаметром 24 сантиметра и длиной 1,5 метра.

В ней имеется экспериментальная камера, в которую исследователи помещали постоянный или электрический магнит, имитирующий защиту корабля, а вдоль трубы специальный насос направлял сверхзвуковой (скорость больше 3 М) поток плазмы (H+, H2+ и H3+ в пропорции 90%, 5% и 5%).

Специальные катушки вокруг установки генерировали внутри поле (0,07 тесла), имитирующее межпланетное магнитное поле. Наконец, в роли генераторов поля корабля выступали по очереди постоянный цилиндрический магнит (на 0,2 тесла) и импульсный электромагнит (с напряжённостью поля на полюсах более 2 тесла).

Магниты крепились при помощи рычагов, позволявших сдвигать их относительно потока плазмы в разных направлениях.

Для снятия данных применялись различные датчики, фиксирующие распределение потока плазмы в пространстве, а также — высокоскоростная (50 тысяч кадров в секунду) видеокамера (работающая в видимом диапазоне волн), снимавшая происходящее через прозрачное окно.

Схема установки (иллюстрация Rutherford Appleton Laboratory).

Изначально у исследователей не было уверенности — а будет ли это всё же работать. Слишком много предшественников убеждали всех: действовать щит против столь высокоэнергетических частиц может только в планетарном масштабе, или около того. Однако когда установку включили — она сразу заработала, как и было задумано.

Более того, крошечная искусственная магнитосфера показала способность к саморегуляции, подобной таковой у магнитосферы Земли. «Когда она получает сильный толчок от плазмы, пузырь становится меньше. Видео показывает, что по мере повышения давления „солнечного ветра“ щит становится меньше, но при этом ярче», — рассказывает Рут Бамфорд.

Экспериментаторы тщательно снимали параметры миниатюрной магнитосферы внутри аппарата, в том числе изменение плотности ионов во всех плоскостях и направлениях.

Эти данные позволили сделать вывод, что в первом приближении сравнительно простой (но довольно сильный) магнит может прикрыть себя от ударов частиц солнечного ветра. Впрочем, тонкостей тут — хоть отбавляй. (Этому опыту, кстати, посвящена статья вышедшая на днях в журнале Plasma Physics and Controlled Fusion.)

Несколько кадров опыта. Вверху: поток плазмы идёт слева. В ходе тестов учёные плавно меняли как энергию плазменного луча, так и положение защитного поля «корабля». Граница крошечной искусственной магнитосферы исправно смещалась в соответствии с балансом сил. Ударный фронт в месте резкого торможения плазмы визуализировался благодаря световой эмиссии, происходящей главным образом от взаимодействия плазмы с нейтральным газом (на врезке поток идёт справа). Внизу: вид на защитный пузырь сверху с наложением цвета, показывающего плотность плазмы (фотографии и иллюстрация Rutherford Appleton Laboratory).

Бамфорд заявила: «Первые эксперименты показали, что таким способом можно было бы защитить астронавтов от смертоносной космической погоды».

Итак, небольшие искусственные дыры в солнечном ветре — это всё необходимое, чтобы люди могли безопасно путешествовать к нашим ближайшим соседям (на Луну и Марс). Но до появления полномасштабных магнитных щитов, пригодных для установки на корабли, по прогнозу Бамфорд, пройдёт ещё 10-15 лет.

За это время исследователям предстоит понять, как лучше использовать такую защиту. Ведь существует ещё много нерешённых вопросов: каков будет вес конечной установки, как будет осуществляться контроль за её работой, какова окажется её надёжность.

К тому же существует выбор между вариантом монтажа магнитоплазменной защиты на самом корабле или на целом созвездии миниатюрных станций сопровождения, раскрывающих «зонтик» над пилотируемым аппаратом, когда это необходимо (да и на самом планетолёте подобная защита может работать временно, включаясь при появлении угрозы, то есть после вспышек на Солнце).

«Я не думаю, что установка сократится вплоть до всего лишь „магнита для холодильника“, закреплённого на внешней поверхности космического аппарата», — смеётся Рут. Но, с другой стороны, вспомним, что раньше учёные полагали, будто генератор магнитного щита для межпланетного корабля окажется по размеру и массе едва ли не больше самого защищаемого звездолёта.



Марсианский робот может совсем пропасть

1 ноября 2008

Частный луноход высадится на месте посадки Apollo 11

31 октября 2008

Опал на Марсе расширил период жидкой воды

30 октября 2008

Неподалёку от Солнца открыта планетарная система-близнец

28 октября 2008

Смоляная ракета приглашает в ближний космос по одному

27 октября 2008