¿Cuánta energía requeriría el escudo magnético de una nave espacial?

Sí, la investigación sobre la protección contra las partículas energéticas del plasma del viento solar utilizando un campo magnético dipolar continúa, y quizás el mejor indicio de ello es la presentación de la patente de protección de la nave espacial ⁽¹⁾ en 2010, aproximadamente 2 años después de la publicación de Plasma Physics. y la revista Controlled Fusion ⁽²⁾ que notó el autor de ese artículo de Physics World ⁽³⁾ al que se vincula, así como varios otros similares, por ejemplo, en Universe Today ⁽⁴⁾ .

Una mirada a la publicación reciente de Ruth Bamford ⁽⁵⁾ , la investigadora principal y la primera autora citada de dicha publicación que provocó todos esos artículos de noticias, muestra la participación de este científico en varios proyectos conceptuales de exploración espacial, por lo que apostaría a que la investigación parece muy mucho vivo. Por ejemplo, este artículo titulado Arquitectura conceptual de vehículos espaciales para la exploración humana de Marte ⁽⁶⁾ de 2012 ya muestra la participación de Boeing y ULA, entre otros, por lo que esa es una investigación que ya está patrocinada al menos parcialmente por los grandes actores de la industria espacial.

En cuanto al tamaño y potencia requeridos, la fuente más indicativa es la patente mencionada (número de solicitud US 12/990,420) ⁽¹⁾ , citando:

Con el fin de proporcionar un escudo eficaz, la intensidad del campo magnético del escudo en la fuente es preferentemente de al menos 1 x ^10-4 tesla. Para obtener un límite entre el campo magnético del escudo y un campo magnético de fondo típico del viento solar de alrededor de 1×10 ⁻⁷ Tesla (quizás 5×10 ⁻⁸ a 5×10 ⁻⁶Tesla (dependiendo de las condiciones del viento solar) a una distancia de unos pocos cientos de metros de la nave espacial, generalmente será suficiente una intensidad de campo de menos de 0,1 Tesla en la fuente del campo magnético. Teniendo en cuenta los efectos de la persistencia del campo en el entorno del plasma, la fuente de alimentación puede proporcionar una potencia eléctrica promedio de aproximadamente 100 W a 10 kW, y más preferiblemente de aproximadamente 500 W a 5 kW para impulsar la fuente de campo magnético para generar el escudo magnético. campo.

Y el tamaño de los elementos funcionales se describe en el artículo de Universe Today ⁽⁴⁾ como "no más grandes que un escritorio grande".. Por supuesto, estos requisitos de energía citados parecen altos, pero el escudo no tendría que estar activo todo el tiempo a su máxima potencia, y su salida podría ser variable para coincidir con los datos de observación de los observatorios remotos que envían datos sobre el flujo solar a la nave espacial. que dicho campo magnético dipolar estaría blindado de antemano. Si mal no recuerdo, las erupciones solares más grandes llegan a la Tierra en promedio en aproximadamente un día y medio, por lo que es aproximadamente ⅔ AU por día. Y, por supuesto, a distancias del Sol donde hay mucho peligro por el clima solar, también hay mucha energía solar que se puede aprovechar mediante el uso de energía fotovoltaica. A modo de comparación, los paneles solares de la Estación Espacial Internacional, aunque son grandes y pesados, tienen una capacidad de generación de 120 kW.

Por lo tanto, parece factible que futuras misiones tripuladas de larga duración fuera del campo magnético de la Tierra puedan usar su propio campo magnético portátil y activo, y proteger a la tripulación de la exposición a partículas cargadas de alta energía de los vientos solares. Posiblemente además del uso de protección biológica al rodear los compartimentos de la tripulación con capas de agua y propulsores, como, por ejemplo, en este diseño conceptual del módulo de aterrizaje de exploración de la tripulación para el asteroide Ceres y las lunas de Saturno Rea y Iapetus ⁽⁷⁾ .

Fuentes citadas y lectura sugerida :

1. Patentes de Google: escudo de la nave espacial, EE. UU. 20110049303 A1 , Ruth Bamford, Robert Bingham, 2010
2. La interacción de un flujo de plasma con un campo magnético dipolar: mediciones y modelado de una cavidad diamagnética relevante para la protección de naves espaciales , R. Bamford et al., Plasma Physics and Controlled Fusion, 2008 (PDF)
3. Physics World: El escudo magnético podría proteger a las naves espaciales , 6 de noviembre de 2008
4. Universe Today: Escudo de iones para naves espaciales interplanetarias ahora una realidad , 4 de noviembre de 2008
5. Google Scholar: Ruth Bamford , STFC, RAL Space, Rutherford Appleton Laboratory, Reino Unido
6. Arquitectura conceptual de vehículos espaciales para la exploración humana de Marte, con gravedad artificial y escudo de radiación de tripulación de minimagnetosfera , M. Benton et al., AIAA Meeting Papers, 2012
7. Diseño conceptual del módulo de aterrizaje de exploración de la tripulación para el asteroide Ceres y las lunas de Saturno Rea y Iapetus , M. Benton, Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica, 2010 (PDF)

Es lunes, así que déjame llover un poco sobre este desfile.

Los diseños actuales de escudos magnéticos son adecuados para proteger contra la radiación ionizante del sol . No son suficientes para proteger contra la radiación cósmica galáctica, que tiene mucha más energía en cada partícula. Para bloquear eso de manera efectiva, se necesitaría un escudo con una energía 100 veces mayor. Si se utilizan los parámetros de escudo de Bamford de la respuesta de TildalWave, se necesitarían 500 kW de potencia. No se puede modular según las necesidades actuales, tiene que estar siempre a ese nivel de potencia, porque el GCR fluctúa muy lentamente, a lo largo del ciclo solar, no se trata de tormentas ocasionales como la radiación ionizante solar. Las necesidades de masa y energía de un sistema de este tipo son prohibitivas. Se desconoce el efecto a lo largo del tiempo sobre la salud humana de la exposición a un campo magnético de tal intensidad.

Se desconoce el efecto sobre la salud de los rayos cósmicos en los niveles del espacio interplanetario. La exposición durante uno o dos años solo puede aumentar las posibilidades de cáncer, o podría ser debilitante, si no inmediatamente, unos años después. Una vez que tengamos muchos más datos, puede resultar adecuado usar un campo magnético más débil que desvíe solo partículas con energías por debajo de 500 MeV, por ejemplo, que serían la mayoría de las partículas. O puede que no.

Ver este artículo sobre el tema.

Editar: para aclarar el peligro potencial de GCR, aquí hay una tabla tomada del documento al que va el segundo enlace, que es un resumen excelente y actualizado del asunto:

El blindaje postulado para calcular la última columna es de 3 g/cm ² de aluminio... más la carne de tu cuerpo que rodea las partes importantes. Es decir, están asumiendo que si un protón de 400 MeV golpea una molécula en uno de sus músculos, eso no es realmente importante, solo están considerando los 'órganos formadores de sangre' (que no incluyen su cerebro). Eso solo, creo, comunica cuánto nuestro conocimiento de esto es preliminar.

También es fundamental tener en cuenta que este blindaje está calculado para ayudar porque es muy delgado . Porque eso significa que la mayoría de las partículas simplemente atravesarán toda la nave prácticamente como si ni siquiera estuviera allí. Una vez que una de esas partículas golpea el núcleo de un átomo en su camino, es cuando comienza el verdadero problema. Rompen nuevas partículas de ese núcleo, multiplicando el problema. Del Apéndice E de " Asentamientos espaciales: un estudio de diseño " de la NASA (que es una excelente introducción):

Hay tres mecanismos que son importantes en el blindaje masivo. En primer lugar, una partícula cargada excita electrones durante muchos cientos de angstroms en torno a su trayectoria. Esta excitación extrae energía cinética a una tasa aproximadamente constante para partículas relativistas y actúa como un mecanismo de frenado. Para protones relativistas en materia de bajo Z, esta "transferencia de energía lineal" es$2 MeV/g*cm^-2$de importancia. Si el grosor del escudo de masa es lo suficientemente grande, se detiene una partícula de energía cinética finita. Este es el mecanismo de protección menos eficaz en materia de partículas relativistas.

El segundo mecanismo es la atenuación nuclear. Para el dióxido de silicio, la sección transversal nuclear promedio es de 0,4 barn ($10^{-24}\ cm^2$). Así, si una partícula cargada atraviesa lo suficiente el escudo (compuesto de dióxido de silicio), choca con un núcleo y pierde energía por colisiones inelásticas con la materia nuclear. La medida de qué tan lejos debe viajar una partícula para tener una posibilidad sustancial de colisión nuclear es el camino libre medio, que para el dióxido de silicio es$106 g/cm^2$. Este mecanismo es un amortiguador exponencial de partículas del haz primario.

En oposición a la tendencia de limpieza del haz de la atenuación nuclear se encuentra la creación de partículas energéticas secundarias. Para cada colisión nuclear, hay una pérdida de haz por excitación nuclear y un aumento del haz (aunque con una degradación de energía general a través del aumento de la entropía) de los secundarios emitidos por los núcleos excitados. Estas partículas secundarias son, por supuesto, atenuadas por colisiones nucleares adicionales con aproximadamente el mismo camino libre medio que las partículas primarias.

Por lo tanto, en todas las partes de la nave hipotética donde hay más material que los 3 g/cm ² de aluminio entre usted y el espacio, existe una probabilidad mucho mayor de que sea golpeado por partículas dañinas de esas direcciones, a menos que el el material sólido en el medio tiene al menos un par de metros de espesor. Puede que se necesiten 5 metros de material antes de que la cascada de partículas generadas por tales colisiones desaparezca debido a que su energía cinética se ha dispersado.

Entonces, tal vez podría pasar 10 años en el espacio profundo y obtener solo la radiación máxima permitida para la carrera de un astronauta según la NASA, lo que significa que no tiene que preocuparse por nada más que una mayor probabilidad de cáncer y cataratas. O tal vez ese punto de vista es demasiado optimista. Realmente no lo sabemos. Del artículo de Eugene Parker anterior:

Una estimación de la NASA es que alrededor de un tercio del ADN en el cuerpo de un astronauta sería cortado por los rayos cósmicos cada año.

Esto podría ser de interés: el CERN, en colaboración con el proyecto Escudo superconductor de radiación espacial europeo, está utilizando avances en la tecnología de superconductores para desarrollar un campo magnético superconductor para proteger las naves espaciales y sus ocupantes. El objetivo es crear un campo magnético 3.000 veces más fuerte que el de la Tierra para proteger a los astronautas en una región de diez metros de diámetro que encierra la nave espacial o el hábitat .

No puedo encontrar detalles de los requisitos de energía. Pero la masa es de 53,8 toneladas para la "configuración de calabaza" y se enfría pasivamente, por lo que la energía principal sería generar y mantener el campo magnético en los imanes superconductores. He puesto una sección al respecto aquí en mi Case for Moon First , con las citas que pude encontrar, pero no encontré mucho hasta ahora.