Vela magnetică
Vela magnetică este o metodă propusă pentru propulsia spațială care ar folosi un câmp magnetic static pentru a devia particulele încărcate emise de soare ca vânt de plasmă , conferind astfel impuls pentru a accelera nava spațială. [1] [2] . O velă magnetică ar putea atrage, de asemenea, forța direct din magnetosfera planetară și solară.
Principiile de funcționare și proiectare
Interacțiunea cu vântul solar
Când o particulă încărcată, cum ar fi un proton sau un electron , se mișcă printr-un câmp magnetic perpendicular pe liniile câmpului, aceasta este deviată de la calea sa. Vântul solar de la soare transportă câteva milioane de protoni și electroni pe metru cub aproape de pământ. Protonii se îndepărtează de soare cu viteze cuprinse între 400 și 600 de kilometri pe secundă . În teorie, o velă magnetică ar putea să devieze aceste particule pentru a câștiga un anumit impuls din ele.
O navă spațială ar trebui să desfășoare o bobină mare de cablu supraconductor pentru a genera câmpul magnetic și, eventual, alte bobine auxiliare pentru a direcționa sau reduce pericolele de radiații generate de particulele încărcate. Vele magnetice sunt o tehnologie de propulsie atractivă, deoarece calculele arată că astfel de vele supraconductoare pot avea un raport masă-împingere mai bun decât vele solare .
Comparație cu pânzele solare
Funcționarea velelor magnetice care utilizează vântul plasmatic este similară cu cea a velelor solare care utilizează presiunea radiației fotonice emise de soare. Chiar dacă particulele de vânt solar au masă și fotonii nu, lumina soarelui are un impuls de mii de ori mai mare decât vântul solar. În consecință, o pânză magnetică trebuie să devieze o zonă proporțional mai mare de vânt solar decât o pânză solară comparabilă pentru a genera aceeași cantitate de împingere. Cu toate acestea, nu este nevoie să aibă o masă la fel de mare ca cea a pânzei solare, deoarece vântul solar este deviat de un câmp magnetic mai degrabă decât de o pânză materială mare. Masa buclei supraconductoare și sursa de energie folosită pentru a genera câmpul pot fi mai mici decât cea a unei vele solare echivalente. O velă magnetică se poate baza, de asemenea, direct pe magnetosfera planetară și solară, în timp ce o velă solară nu poate.
Interacțiunea cu magnetosfera
Când se află în imediata apropiere a unei planete cu o magnetosferă puternică, cum ar fi Pământul sau un gigant gazos , pânza magnetică ar putea genera mai multă forță folosind interacțiunea cu magnetosfera în loc să interacționeze cu vântul solar. Acest principiu de funcționare este similar cu cel al lesei electrodinamice .
Comparație cu cablurile electrodinamice
Zona de interacțiune a velei magnetice s-ar extinde în două dimensiuni mult mai larg decât o lesă electrodinamică, care are o singură dimensiune. Astfel s-ar genera o forță inductivă mult mai mare pentru același material conductor.
Depozitare
O velă magnetică ar putea fi depusă înfășurată pe o navă spațială atunci când nu este utilizată. Ar putea fi doar o bobină de cablu supraconductor. Pentru a-l elibera, ar fi suficient să circulați un curent electric; câmpul magnetic astfel generat ar tinde să extindă bobina, ajutând la „umflarea” pânzei și forțarea unei forme circulare. Deoarece cablul este supraconductor și puterea câmpului magnetic nu variază atunci când dispozitivul funcționează, nu este necesară energie suplimentară pentru a-l face să funcționeze.
Câmpuri magnetice slabe
Cablul poate fi subțire, deoarece pânza magnetică ar funcționa cu câmpuri magnetice foarte slabe, de obicei de ordinul 0,00001 tesla (10 microtesle reprezintă puterea câmpului magnetic al Pământului la ecuator). [ citație necesară ] În magnetosfere planetare și vânt cu plasmă, o navă magnetică este mai eficientă cu curenți mici și un câmp magnetic mare, slab. Rezultatul este un cablu subțire și ușor cu o rază foarte mare.
Poate fi posibil să se evite complet utilizarea sârmei și să se utilizeze un câmp de plasmă cu gaz circular excitat electric în locul unei bucle de sârmă. Această abordare se numește Propulsion mini-magnetospheric plasma (Mini-Magnetospheric Plasma Propulsion).
Moduri de funcționare
Într-un vânt de plasmă
Când acționează departe de magnetosfere planetare, o navă magnetică forțează protonii vântului solar încărcați pozitiv să se curbeze în timp ce trec prin câmpul magnetic. Schimbarea impulsului protonilor ar împinge câmpul magnetic și, prin urmare, bobina care îl generează.
La fel ca pânzele solare, pânzele magnetice se pot „întoarce”. Dacă o pânză magnetică se orientează la un unghi față de vântul solar, particulele încărcate sunt de preferință deviate într-o parte și pânza magnetică este împinsă lateral. Aceasta înseamnă că pânzele magnetice pot manevra pe multe orbite.
În acest fel, cantitatea de forță generată de o navă magnetică se descompune proporțional cu pătratul distanței sale de soare, în același mod în care densitatea fluxului de particule încărcate este redusă. Vremea solară are, de asemenea, o influență majoră asupra navigației. Este posibil ca erupțiile de plasmă de la o flacără mare să afecteze o velă eficientă, dar fragilă.
O concepție greșită obișnuită este că o navă magnetică nu poate depăși viteza plasmei care o propulsează. Pe măsură ce viteza unei vele magnetice crește, accelerația sa depinde din ce în ce mai mult de capacitatea sa de a aborda eficient. La viteze mari direcția vântului cu plasmă pare să vină din ce în ce mai mult din partea din față a vehiculului. Navele de navigație cu nave spațiale avansate ar putea răspândi bucle de câmp sub formă de „drifturi”, astfel încât vehiculul să poată utiliza diferența vectorială dintre câmpul magnetic solar și vântul solar, așa cum ar face o barcă cu pânză cu vântul și marea.
În interiorul unei magnetosfere planetare
[ citație necesară ] O vela magnetică situată într-o magnetosferă planetară își poate trage forța din câmpul magnetic al planetei, în special pe o orbită care tranzitează peste polii magnetici ai planetei, similar cu o lesă electrodinamică.
Manevrele care pot fi efectuate de o navă magnetică în interiorul unei magnetosfere planetare sunt mai limitate decât cele posibile într-un vânt cu plasmă. La fel ca și magneții cunoscuți folosiți pe pământ, o pânză magnetică poate fi atrasă sau respinsă numai de polii magnetosferei, pe baza orientării sale.
Când câmpul magnetic al pânzei este orientat în direcția opusă magnetosferei, acesta experimentează o forță spre interior și în direcția celui mai apropiat pol, în timp ce atunci când este orientat în aceeași direcție experimentează efectul opus. O velă magnetică orientată ca magnetosfera nu este stabilă și trebuie să evite să fie răsturnată în direcția opusă în alte moduri.
Împingerea pe care o velă magnetică o poate da în interiorul unei magnetosfere scade odată cu a patra putere a distanței sale față de dinamul magnetic din interiorul planetei.
Această capacitate limitată de manevră poate fi de ajutor. Prin variația puterii câmpului magnetic al velei în cursul orbitei sale, este posibil să se obțină o „lovitură de perige ” prin ridicarea altitudinii apogeului orbitei sale.
Repetarea acestui proces pe fiecare orbită poate aduce vârful velei magnetice din ce în ce mai sus, până când vehiculul este capabil să părăsească magnetosfera planetară și să capteze vântul solar. Același proces invers poate fi folosit pentru a coborî sau a circula apogeul orbitei unei vele magnetice atunci când ajunge pe planeta de destinație.
În teorie este posibil să lansezi o velă magnetică direct de pe suprafața unei planete lângă unul dintre polii săi magnetici, astfel încât să fie respinsă de câmpul magnetic planetar. Cu toate acestea, acest lucru necesită păstrarea pânzei magnetice în orientarea „instabilă”. Mai mult, o lansare de pe Pământ ar necesita superconductori cu densități de curent de 80 de ori mai mari decât cei mai cunoscuți supraconductori la temperatură înaltă.
Călătorii interstelare
Spațiul interstelar conține cantități foarte mici de hidrogen ; o velă cu mișcare rapidă ar ioniza acest hidrogen prin accelerarea electronilor (negativi) într-o direcție și a protonilor (pozitivi) în cealaltă. Energia necesară ionizării și radiației ciclotronice ar fi preluată din energia cinetică a navei spațiale, încetinind-o în consecință. Radiația ciclotronică provenită din accelerația particulelor ar fi un „gemut” ușor de detectat în frecvențele radio .
În zborul spațial interstelar în afara heliopauzei unei stele, o navă magnetică ar putea, prin urmare, să se comporte ca o parașută capabilă să încetinească o navă spațială. Acest lucru elimină orice nevoie de combustibil necesar pentru decelerare în mijlocul unei călătorii interstelare, aducând beneficii enorme acestei posibilități. Vela magnetică a fost propusă pentru prima dată în acest scop în 1985 de Robert Zubrin și Dana Andrews, înainte de alte utilizări, și a evoluat dintr-un design de colector Bussard care utilizează o pâlnie magnetică pentru a colecta mediul interstelar .
Vele magnetice ar putea fi folosite și cu propulsia cu fascicul de particule folosind un accelerator de particule de mare putere pentru a declanșa un fascicul de particule încărcate pe nava spațială [3] . Vela magnetică ar devia acest fascicul transferând impulsul către vehicul. Aceasta ar da o accelerație mult mai mare decât cea obținută cu o navă solară împinsă de un laser , chiar dacă un fascicul de particule s-ar împrăștia la o distanță mult mai mică decât un laser datorită repulsiei electrostatice a particulelor care îl compun.
Utilizări în lucrări fictive
Vela magnetică este prezentă în mod predominant în romanele de știință-ficțiune ale lui Michael Flynn , în special în Epava râului stelelor ; această carte descrie povestea unei nave cu vele magnetice într-un moment în care propulsia prin fuziune nucleară bazată pe topitorul Farnsworth-Hirsch a devenit tehnologia de alegere.
Concepte conexe
- Lesa electrodinamică interacționează cu magnetosfera într-un mod similar cu pânza magnetică
- Propulsia cu plasmă mini-magnetosferică ( M2P2 ) este un concept pentru o navă magnetică în care plasma este utilizată pentru a extinde câmpul magnetic la o magnitudine mai mare. Acest lucru dă naștere unui magnet relativ compact, care formează o navă magnetică mai mare, unde în loc de o bobină de cabluri, curentul din plasmă este cel care formează câmpul.
- Propulsia cu plasmă magnetizată iradiată (MagBeam) ( link ) - este o variantă de împingere radială a M2P2.
- Propulsie spațială - Alte metode de propulsie spațială utilizate pentru a schimba viteza navei spațiale și a sateliților artificiali.
Notă
- ^ DG Andrews și R. Zubrin, „Magnetic Sails and Interstellar Travel”, hârtie IAF-88-553, 1988.
- ^ R. Zubrin . (1999) Entering Space : Creating a Spacefaring Civilization . New York: Jeremy P. Tarcher / Putnam. ISBN 0-87477-975-8 .
- ^ G. Landis, "Interstellar Flight by Particle Beam", Acta Astronautica. Vol. 55 , nr. 11, 931-934 (decembrie 2004).
Elemente conexe
linkuri externe
- Navigare spațială , pe web.tiscali.it .
