|
Могут ли постоянные магниты защитить астронавтов
|
|
|
|
Защита астронавтов от смертельно опасного излучения, с которым они сталкиваются, является центральной задачей для любого разработчика пилотируемой миссии в дальний космос. Даже относительно низкие уровни облучения в течение длительного времени могут привести ко всему, от повреждения центральной нервной системы до рака. Но существующие решения, такие как пассивные водяные оболочки или активные сверхпроводящие магниты, имеют свои ограничения. Чтобы обойти их, в новой статье, доступной в виде препринта на arXiv, Валерио Паризи и группа исследователей из Италии и Германии рассматривают возможность использования постоянного магнита (и связанного с ним постоянного магнитного поля) для потенциальной блокировки части этого излучения без затрат, связанных с конкурирующими технологиями.
|
|
|
|
Сначала давайте рассмотрим конкретные типы излучения, которые делают его таким опасным. Один из них — галактические космические лучи (ГКЛ), которые непрерывны, чрезвычайно хорошо проходят сквозь препятствия и, кажется, исходят отовсюду. Другой — это мощный выброс протонов, известный как солнечное событие частиц (СЗЧ) — по сути, солнечная буря, направленная на космический аппарат. Каждый из этих источников излучения потенциально способен уничтожить биологическую полезную нагрузку любого космического аппарата дальнего космоса, включая живых людей.
|
|
|
|
|
|
|
Наиболее распространенный способ защиты от этих источников излучения — это просто размещение множества материалов между ними и хрупкими биологическими системами. Этот метод основан на использовании материалов с низким атомным номером, таких как алюминий, полиэтилен или, во многих случаях, вода (которая необходима для многих других биологических функций на космическом аппарате дальнего космоса). Проблема этого метода — вес. Из-за сложности ракетной системы доставка достаточного количества материала на орбиту для защиты экипажа от сверхпроводящего электромагнитного излучения чрезвычайно дорога — и может потребовать выноса десятков тонн из гравитационного поля Земли.
|
|
|
|
Другая альтернатива, которая в последнее время стала предметом многочисленных исследований, — это сверхпроводящие магниты. Они обладают очевидным преимуществом, обеспечивая магнитный «экран» до 1 Тесла вокруг аппарата, но сопряжены с огромными потенциальными затратами. Они требуют непрерывного криогенного охлаждения и постоянного электропитания как для системы охлаждения, так и для самих магнитов. Если питание любого из этих компонентов пропадает (например, если случайный космический луч выводит из строя транзистор), защитный экран полностью выходит из строя, и экипаж подвергается воздействию всей силы излучения.
|
|
|
|
Для решения этих проблем авторы обратились к промежуточному варианту — постоянным магнитам. Они хорошо изучены, невероятно надежны и не требуют питания для работы. Кроме того, они весят значительно меньше, чем другие «пассивные» решения, что ограничивает влияние ракетной модели на их экономическую целесообразность. Чтобы доказать свою идею, исследователи разработали аналитическую модель, чтобы выяснить, может ли набор постоянных магнитов из неодима, железа и бора (NdFeB) изменить траекторию коллимированного пучка протонов (по сути, имитацию SPE).
|
|
|
|
Краткий ответ — да, может, но только до определенных уровней энергии. Авторы создали массив из 1482 постоянных магнитов размером 3 х 3 х 3 сантиметра каждый и разместили их все на площади в 1 квадратный метр (11 квадратных футов). Весящий менее 300 килограммов (661 фунт), этот постоянный экран в итоге отклонил примерно 20% поступающих солнечных частиц в диапазоне энергий от 0,1 до 10 МэВ.
|
|
|
|
Функционально эти 20% фактически указывали на то, что постоянные магниты действительно делали — отклоняли частицы с более низкой энергией. По сути, они действовали как «фильтр верхних частот», позволяя протонам с более высокой энергией проходить насквозь, отталкивая при этом протоны с более низкой энергией. Но это была не единственная техническая сложность этой системы.
|
|
|
|
Самая большая сложность заключается в том, что она вообще не блокирует галактические солнечные лучи (ГКЛ). Само защитное поле имеет высокую направленность, а поскольку ГКЛ хаотичны и приходят со всех сторон, оно очень малоэффективно для защиты от них. Более того, существует вероятность того, что сами протоны, сталкиваясь с магнитом, могут вызвать «вторичное» излучение, такое как нейтроны или гамма-лучи.
|
|
|
|
Хотя это, возможно, и не превратит никого из астронавтов в Халка, это может непреднамеренно увеличить локальную дозу радиации, если кто-то из них окажется не в том месте и не в то время. Даже магниты со временем изнашиваются, поэтому последним техническим препятствием станет долговременная размагничивание неодима, что со временем снизит его защитную экранирующую способность.
|
|
|
|
Несмотря на все недостатки, даже некоторая защита лучше, чем её отсутствие, и вполне возможно, что постоянные магниты найдут своё место в гибридной системе, сочетающей все три метода снижения радиационного воздействия. Чтобы подтвердить эту идею, команда планирует продолжить её изучение с помощью усовершенствованных симуляций Монте-Карло, чтобы увидеть, как она будет реагировать в хаотичных, многонаправленных средах. В конце концов, астронавтам понадобится вся возможная помощь, чтобы избежать чрезмерного облучения до достижения пункта назначения в дальнем космосе.
|
|
|
|
Источник
|
