Magnetisk seil - Magnetic sail

Et magnetisk seil eller magsail er en foreslått metode for fremdrift av romfartøy som vil bruke et statisk magnetfelt for å avlede ladede partikler som utstråles av solen som en plasmavind , og dermed gi fart for å akselerere romfartøyet. Et magnetisk seil kan også skyve direkte mot planetariske og solmagnetosfærer .

Historie

Det magnetiske seil ble foreslått av Dana Andrews og Robert Zubrin i samarbeid i 1988. På den tid ble Andrews arbeider på et konsept for å bruke en magnetisk kule for å samle ioner for å tilveiebringe drivmiddel for en kjernefysisk elektrisk ion drivromfartøyer, slik at farkosten til operere på samme måte som en Bussard ramjet , men uten behov for en proton-proton fusjonsdrivdrift . Han ba Zubrin om å hjelpe ham med å beregne luftmotstanden som den magnetiske scoop ville skape mot det interplanetære mediet. Zubrin gikk med på det, men fant at luftmotstanden som ble skapt av scoop ville være mye større enn skyvekraften som ble opprettet av ionedrevet. Han foreslo derfor at ionedrivkomponenten i systemet droppes, og enheten bare brukes som et seil. Andrews var enig, og storseilet ble født. De to fortsatte deretter med å utdype analysen av storseilet for interplanetar, interstellar og planetarisk orbital fremdrift i en serie papirer publisert fra 1988 til 1990-tallet.

Prinsipper for drift og design

Den magsail opererer ved å skape drag mot lokal medium (jordens magnetfelt, solenergi vind, eller interstellare vind), for derved å tillate et romfartøy akselerert til meget høye hastigheter ved andre midler, slik som en fusjon rakett eller laser skyves lightsail, for å bremse ned - selv fra relativistiske hastigheter - uten å kreve bruk av drivstoff ombord. Det kan dermed redusere delta-V- fremdriften som kreves for et interstellært oppdrag med en faktor på to. Denne evnen er det mest uvanlige trekk ved storseil, og kanskje den viktigste på lang sikt.

I typiske magnetiske seildesigner genereres magnetfeltet av en løkke med superledende ledning. Fordi sløyfer med strømførende ledere har en tendens til å bli tvunget utover mot en sirkulær form av sitt eget magnetfelt, kan seilet bare distribueres ved å spole ledningen og bruke en strøm gjennom den.

Eksempel på solvind

Den Solvinden er en kontinuerlig strøm av plasma som strømmer utover fra sø: nær jordbanen, inneholder den flere millioner protoner og elektroner per kubikkmeter og flyter ved 400 til 600 km / s (250 til 370 ml / s). Det magnetiske seilet introduserer et magnetfelt i denne plasmastrømmen som kan avlede partiklene fra deres opprinnelige bane: partikkelenes momentum overføres deretter til seilet, noe som fører til et skyv på seilet. En fordel med magnet- eller solseil over (kjemiske eller ioner) reaksjonspropeller er at ingen reaksjonsmasse blir utarmet eller båret i båten.

For et seil i solvinden ett AU unna solen, er feltstyrken som kreves for å motstå det dynamiske trykket fra solvinden 50 nT. Zubrins foreslåtte magnetiske seildesign ville skape en luftboble med en diameter på 100 km (62 mi) der solvindioner avbøyes vesentlig ved hjelp av en bøyle på 50 km (31 mi) i radius. Minimumsmassen til en slik spole er begrenset av materialstyrkebegrensninger på omtrent 40 tonn (44 tonn), og den vil generere 70 N (16 lb f ) skyvekraft, noe som gir et masse / skyveforhold på 600 kg / N. Hvis det drives i solsystemet, vil det være nødvendig med superledende ledning med høy temperatur for å gjøre storseilet praktisk. Hvis det drives i det interstellare rommet, vil konvensjonelle superledere være tilstrekkelige.

Driften av magnetiske seil ved bruk av plasmavind er analog med driften av solseil ved bruk av strålingstrykket til fotoner som sendes ut av solen. Selv om solvindpartikler har hvilemasse og fotoner ikke har sollys tusenvis av ganger mer fart enn solvinden. Derfor må et magnetisk seil avbøye et proporsjonalt større område av solvinden enn et sammenlignbart solseil for å generere samme mengde skyvekraft. Imidlertid trenger den ikke å være så massiv som et solseil fordi solvinden avbøyes av et magnetfelt i stedet for et stort fysisk seil. Konvensjonelle materialer for solseil veier rundt 7 g / m 2 (0,0014 lb / sq ft), noe som gir en skyvekraft på 0,01 mPa (1,5 × 10 −9  psi) ved 1 AU (150.000.000 km; 93.000.000 mi). Dette gir et masse / trykkforhold på minst 700 kg / N, i likhet med et magnetisk seil, og forsømmer andre strukturelle komponenter.

De solenergi og magnetiske seil ha en skyvekraft som avtar med kvadratet av avstanden fra sø

Når det er nær en planet med en sterk magnetosfære som jord eller en gassgigant , kan det magnetiske seilet generere mer skyv ved å samhandle med magnetosfæren i stedet for solvinden, og kan derfor være mer effektiv.

Mini-magnetosfærisk plasma fremdrift (M2P2)

For å redusere størrelsen og vekten til magneten til det magnetiske seilet, kan det være mulig å blåse opp magnetfeltet ved hjelp av et plasma på samme måte som plasmaet rundt jorden strekker seg ut jordens magnetfelt i magnetosfæren . I denne tilnærmingen, kalt mini-magnetosfærisk plasmadrivning (M2P2), vil strømmer som løper gjennom plasmaet øke og delvis erstatte strømmen i spolen. Dette forventes å være spesielt nyttig langt fra solen, hvor den økte effektive størrelsen på et M2P2-seil kompenserer for det reduserte dynamiske trykket fra solvinden. Den opprinnelige NASA- designen foreslår et romfartøy som inneholder en boksformet elektromagnet som plasma injiseres i. Den plasma trykk strekker det magnetiske felt og utløses en boble av plasma rundt sonden. Plasmaet genererer deretter en slags miniatyrisert magnetosfære rundt romfartøyet, analogt med magnetosfæren som omgir jorden. Protonene og elektronene som utgjør solvinden avbøyes av denne magnetosfæren, og reaksjonen akselererer romfartøyet. Drivkraften til M2P2-enheten vil være styrbar til en viss grad, noe som potensielt tillater romfartøyet å "slå" seg inn i solvinden og tillate effektive endringer i bane.

I tilfelle av (M2P2) -systemet frigjør romfartøyet gass for å skape plasma som er nødvendig for å opprettholde den litt lekkede plasmaboblen. M2P2-systemet har derfor en effektiv spesifikk impuls som er mengden gass som forbrukes per Newton sekund. Dette er en fortjeneste som vanligvis brukes til raketter, der drivstoffet faktisk er reaksjonsmasse. Robert Winglee, som opprinnelig foreslo M2P2-teknikken, beregner en spesifikk impuls på 200 kN · s / kg (omtrent 50 ganger bedre enn romfergens hovedmotor). Disse beregningene antyder at systemet krever en størrelsesorden kilowatt kraft per newton skyvekraft, betydelig lavere enn elektriske thrustere, og at systemet genererer samme skyvekraft hvor som helst i heliopausen fordi seilet sprer seg automatisk når solvinden blir mindre tett . Imidlertid er denne teknikken mindre forstått enn det enklere magnetiske seilet. Det er uenighet om hvor stor og tung magnetspolen må være og om hvorvidt kraften fra solvinden effektivt kan overføres til romfartøyet.

Ekspansjonen av magnetfeltet ved hjelp av plasma injisert er vellykket testet i et stort vakuumkammer på jorden , men utvikling av skyvekraft var ikke en del av eksperimentet. En bjelke-drevet variant, MagBeam , er også under utvikling.

Driftsmåter

Et magnetisk seil i en vind av ladede partikler. Seilet genererer et magnetfelt, representert av røde piler, som avbøyer partiklene til venstre. Kraften på seilet er motsatt.

I en plasmavind

Når man opererer vekk fra planetariske magnetosfærer, vil et magnetisk seil tvinge solens vinds positivt ladede protoner til å bøye seg når de passerer gjennom magnetfeltet. Endringen av momentet til protonene vil skyve mot magnetfeltet, og dermed mot feltspolen.

Akkurat som med solseil, kan magnetiske seil "klebe". Hvis et magnetisk seil orienterer seg i en vinkel i forhold til solvinden, avbøyes ladede partikler fortrinnsvis til den ene siden, og det magnetiske seilet skyves sideveis. Dette betyr at magnetiske seil kan manøvrere til de fleste baner.

I denne modusen faller skyvmengden som genereres av et magnetisk seil av med kvadratet av avstanden fra solen når flytetettheten til ladede partikler reduseres. Solvær har også store effekter på seilet. Det er mulig at plasmautbruddet fra en kraftig solfakkel kan skade et effektivt, skjørt seil.

En vanlig misforståelse er at et magnetisk seil ikke kan overstige hastigheten på plasmaet som skyver det. Når hastigheten til et magnetisk seil øker, blir akselerasjonen mer avhengig av dens evne til å kle seg effektivt. Ved høye hastigheter ser det ut til at plasmavindretningen kommer i økende grad fra fronten av romfartøyet. Avansert seilingsfartøy kan distribuere feltspoler som "kjøl", slik at romfartøyet kan bruke forskjellen i vektor mellom solmagnetfeltet og solvinden, akkurat som seilbåter gjør.

Inne i en planetarisk magnetosfære

Et magnetisk seil i et romlig varierende magnetfelt. Fordi det vertikale ytre feltet B ext er sterkere på den ene siden enn den andre, er den venstre kraften på venstre side av ringen mindre enn den høyre retning på den høyre siden av ringen, og nettokraften på seilet er til Ikke sant.

Inne i en planetarisk magnetosfære kan et magnetisk seil skyve mot planetens magnetfelt, spesielt i en bane som passerer over planetens magnetiske poler, på samme måte som en elektrodynamisk forankring .

Utvalget av manøvrer som er tilgjengelig for et magnetisk seil inne i en planetarisk magnetosfære er mer begrenset enn i en plasmavind. Akkurat som med de mer kjente småskala magneter som brukes på jorden, kan et magnetisk seil bare tiltrekkes mot magnetosfærens poler eller frastøtes fra dem, avhengig av orientering.

Når magnetseilens felt er orientert i motsatt retning av magnetosfæren, opplever det en kraft innover og mot nærmeste pol, og når det er orientert i samme retning som magnetosfæren, opplever det motsatt effekt. Et magnetisk seil orientert i samme retning som magnetosfæren er ikke stabilt, og vil måtte hindre seg selv fra å bli vendt over til motsatt retning på annen måte.

Drivkraften som et magnetisk seil leverer innenfor en magnetosfære avtar med den fjerde kraften i avstanden fra planetens indre magnetiske dynamo.

Denne begrensede manøvreringsevnen er fortsatt ganske nyttig. Ved å variere det magnetiske seilens feltstyrke i løpet av sin bane, kan et magnetisk seil gi seg selv et " perigee- spark" som hever høyden på banens apogee .

Gjentagelse av denne prosessen med hver bane kan føre magnetseilets apogee høyere og høyere, til magnetseilet er i stand til å forlate den planetariske magnetosfæren og fange solvinden. Den samme prosessen i omvendt retning kan brukes til å senke eller sirkulere apogeeen til en storseils bane når den ankommer en destinasjonsplanet.

I teorien er det mulig for et magnetisk seil å skyte direkte fra overflaten til en planet nær en av magnetpolene, og frastøte seg fra planetens magnetfelt. Dette krever imidlertid at det magnetiske seilet holdes i sin "ustabile" retning. En lansering fra jorden krever superledere med 80 ganger strømtettheten til de mest kjente høytemperatur superledere.

Interstellar reise

Det interstellare rommet inneholder veldig små mengder hydrogen. Et hurtiggående seil vil ionisere dette hydrogenet ved å akselerere elektronene i den ene retningen og de motsatte ladede protonene i den andre retningen. Energien for ionisering og syklotronstråling ville komme fra romfartøyets kinetiske energi og reduserte romfartøyet. Syklotronstrålingen fra akselerasjonen av partikler vil være et lett oppdaget hyl i radiofrekvenser . I en artikkel publisert i 1995, "Detecting Extraterrestrial Civilizations via the Spectral Signatures of Advanced Interstellar Romfartøy", foreslo Zubrin at slik stråling kunne brukes som et middel til å oppdage avanserte utenomjordiske sivilisasjoner.

Således, i interstellar romfart utenfor heliopausen til en stjerne, kunne et magnetisk seil fungere som fallskjerm for å bremse et romfartøy. Dette fjerner drivstoffkravene for retardasjonshalvdelen av en interstellar reise, noe som gagner enorme interstellare reiser. Storseilet ble først foreslått for dette formålet i 1988 av Robert Zubrin og Dana Andrews , forut for andre bruksområder, og utviklet seg fra et konsept av Bussard ramjet som brukte en magnetisk scoop for å samle interstellært materiale . Mer nylig ble en kombinasjon av magnetisk seil og elektrisk seil foreslått av Perakis og Hein. Det magnetiske seilet brukes til retardasjon fra høyere hastigheter og det elektriske seilet ved lavere hastigheter. Simuleringen viser en betydelig massebesparelse for det kombinerte systemet.

Magnetiske seil kan også brukes med stråledrevet fremdrift , ved å bruke en kraftig partikkelakselerator for å skyte en stråle av ladede partikler mot romfartøyet. Storseilet ville avbøye denne strålen og overført fart til kjøretøyet. Dette vil gi mye høyere akselerasjon enn et solseil drevet av en laser , men en ladet partikkelstråle vil spre seg på kortere avstand enn en laser på grunn av den elektrostatiske frastøtingen av komponentpartiklene. Dette spredningsproblemet kan potensielt løses ved å akselerere en seilstrøm som deretter overfører fart til et storseilbil, som foreslått av Jordin Kare .

Teori i grensen for små plasmadensiteter

Et magnetisk seil fra et interstellært fartøy trenger å bremse fra protonene til det interstellare mediet . Tettheten til protoner er veldig lav, i størrelsesorden 0,3 atomer per kubikkcentimeter for den lokale interstellare skyen , som når opp til en avstand på 30 lysår fra solen , og av bestillingen for den omkringliggende lokale boblen . Et baugsjokk kan forsømmes i grensen for små plasmadensiteter. Et romfartøy med en total masse endrer deretter hastigheten via

hvor er protonmassen og det effektive refleksjonsområdet. Antallet protoner som reflekteres per sekund er , med hvert påvirkende proton som overføres til fartøyet. Samlet fart er bevart .

Effektivt refleksjonsområde

Det effektive refleksjonsområdet må bestemmes numerisk ved å evaluere banene til de påvirkende protonene i magnetfeltet som genereres av den superledende sløyfen. Den tyske fysikeren Claudius Gros fant at det effektive refleksjonsområdet kan tilnærmes, for et magnetisk seil i aksial konfigurasjon, med høy presisjon av.

der er arealet som omsluttes av den strømførende sløyfe, den lyshastigheten , strømmen gjennom løkken og en kritisk strøm. Protoner reflekteres ikke i det hele tatt hvis .

Eksplisitt løsning

Det analytiske uttrykket for det effektive refleksjonsområdet tillater en eksplisitt løsning av bevegelsesligningen . Resultatet er at hastigheten synker til null på avstand . Å minimere stoppavstanden for en gitt masse av det håndverket man finner

Hastigheten til et fartøy som begynner å bremse med en starthastighet er gitt via

som en funksjon av tilbakelagt avstand , med

å være den tiden det tar å cruise distansen . Tiden som trengs for å komme til et fullstendig stopp, avviker derfor.

Misjonsprofiler

Ved å bruke det analytiske resultatet for og den nåværende bæreevnen til toppmoderne belagte superledende ledninger , kan man estimere massen som kreves for det magnetiske seilet.

  • For et høyhastighetsoppdrag til Alpha Centauri , med , man finner og . Disse kravene overgår langt spesifikasjonene for projiserte lanseringssystemer, som for eksempel Breakthrough Starshot-initiativet .
  • For et lavhastighetsoppdrag til TRAPPIST-1 , med , oppnår man og . Disse kravene er innenfor spesifikasjonene for projiserte lanseringssystemer.

Oppdrag med lang varighet, for eksempel oppdrag som tar sikte på å tilby jordbaserte liv alternative evolusjonsveier, f.eks. Som planlagt av Genesis-prosjektet , kan derfor bremse passivt ved hjelp av magnetiske seil.

Fiktive bruksområder i populærkulturen

Magnetiske seil har blitt en populær trope i mange verk av science fiction, selv om solseilet er mer populært:

  1. Forfaren til magsailen, Bussard magnetiske scoop , dukket først opp i science-fiction i Poul Andersons novelle 1967 To Outlive Eternity , som ble fulgt av romanen Tau Zero i 1970.
  2. Storsailen fremstår som et avgjørende plottapparat i The Children's Hour , en Man-Kzin Wars- roman av Jerry Pournelle og SM Stirling (1991).
  3. Den har også en fremtredende rolle i science fiction-romanene til Michael Flynn , spesielt i The Wreck of the River of Stars (2003); denne boken er historien om den siste flyturen til et magnetisk seilskip når fusjonsraketter basert på Farnsworth-Hirsch Fusor har blitt den foretrukne teknologien.

Selv om det ikke omtales som et "magnetisk seil", ble konseptet brukt i romanen Encounter with Tiber av Buzz Aldrin og John Barnes som en bremsemekanisme for å bremse romskip fra relativistisk hastighet.

Se også

Referanser

  1. ^ DG Andrews og R. Zubrin, "Magnetic Sails and Interstellar Travel", Paper IAF-88-553, 1988
  2. ^ R. Zubrin . (1999) Entering Space: Create a Spacefaring Civilization . New York: Jeremy P. Tarcher / Putnam. ISBN  0-87477-975-8 .
  3. ^ a b "Arkivert kopi" (PDF) . Arkivert fra originalen (PDF) 2009-02-27 . Hentet 27.02.2009 .CS1 maint: arkivert kopi som tittel ( lenke )
  4. ^ Mini-magnetospheric Plasma Propulsion: Tapping the energy of the sun wind for romboats propulsion, Journal of Geophysical Research, volume 105, A9, side 21,067-21,077 2000
  5. ^ SAIL PROPULSION USING THE SOLAR WIND, Journal of Space Technology and Science, bind 20, side 1-16, 2004
  6. ^ [1]
  7. ^ "MagBeam" . earthweb.ess.washington.edu .
  8. ^ Perakis, N., & Hein, AM (2016). Kombinere magnetiske og elektriske seil for interstellar retardasjon. arXiv fortrykk arXiv: 1603.03015 .
  9. ^ G. Landis, "Interstellar Flight by Particle Beam," Acta Astronautica. Vol 55 , nr. 11, 931-934 (des. 2004).
  10. ^ a b C. Gros , Universal skaleringsforhold for magnetiske seil: momentumbremsing i grensen for fortynnet interstellar media , Journal of Physics Communication (2017).
  11. ^ X. Obradors og T. Puig, Belagte ledere for kraftapplikasjoner : materialutfordringer , Superconductor Science and Technology, 27 044003, (2014).
  12. ^ N. Kulkarni, P. Lubin og Q. Zhang, Relativistic Romfartøy Drivet av Directed Energy , arXiv: 1710.10732 .
  13. ^ James Romero, "Bør vi frø liv gjennom kosmos ved hjelp av laserdrevne skip?" , New Scientist , 13. november (2017).

Eksterne linker