Mars eine Magnetosphäre geben

Ein Nachtrag zu "Terraforming Mars"

Das Problem

Alle zukünftigen Kolonisationsbemühungen, die auf den Mars gerichtet sind, haben alle ein gemeinsames Problem. ihre Abhängigkeit von einem nicht existierenden Magnetfeld. Die Magnetosphäre des Mars wurde vor etwa 4 Milliarden Jahren dunkel, als sich sein Kern verfestigte, weil er aufgrund seiner geringen Masse keine Wärme speichern konnte. Wir wissen jetzt, dass der Mars in seiner Geschichte ziemlich erdähnlich war. Tiefe Ozeane füllten einst die jetzt trockenen Mars-Täler und eine dichte Atmosphäre hielt einst Gase zurück, die möglicherweise die Entwicklung eines einfachen Lebens ermöglichten. Dies alles wurde durch das prähistorische Magnetfeld des Mars abgeschirmt.

Der Mars hatte früher Ozeane! Dann verlor es seine Magnetosphäre :(

Als die magnetische Verteidigungslinie des Mars abfiel, wurde ein Großteil seiner Atmosphäre in den Weltraum gerissen, seine Ozeane erstarrten tief im roten Regolithen, und jede Chance, dass das Leben dort gedeihen konnte, wurde erstickt. Die Reduzierung der Treibhausgase führte dazu, dass die Temperatur des Mars sank und die verbleibende Atmosphäre an den Polen gefroren war. Heute ist der Mars so gut wie tot. Ohne ein Magnetfeld bombardiert eine tödliche Ansammlung geladener Teilchen von der Sonne jeden Tag die Marsoberfläche und bedroht das Potenzial, elektronische Systeme sowie biologisches Leben zu beherbergen. Das Fehlen eines Magnetfelds macht es dem Mars auch unmöglich, eine Atmosphäre oder eine Ozonschicht zurückzuhalten, die sich nachteilig auf das Herausfiltern von UV- und energiereichem Licht auswirken. Dies scheint die Grundprinzipien der Terraformierung des Planeten völlig überflüssig zu machen.

Die Lösung

Ich habe viele Artikel über das Potenzial gelesen, den Mars mit einem künstlichen Magnetfeld zu versorgen. Indem wir einen Satelliten platzieren, der mit Technologie ausgestattet ist, um ein starkes Magnetfeld auf dem Mars L1 zu erzeugen (eine weite Umlaufbahn um den Mars, in der die Schwerkraft der Sonne die Schwerkraft des Mars ausgleicht, so dass der Satellit immer zwischen Mars und Sonne bleibt), können wir den Mars einschließen die resultierende magnetische Hülle. Obwohl die Idee gut verstanden und beschrieben ist, konnte ich keinen soliden mathematischen Beweis für das Konzept finden, um die tatsächliche Machbarkeit zu untersuchen. Also habe ich eins gemacht!

** Hier wird es technisch. Es ist keine Schande, die grundlegenden Ergebnisse zu finden! **

Konzept für eine künstliche Mars-Magnetosphäre auf dem Mars L1. Hier ist der weiße Punkt unser Satellit, der mit der Technologie ausgestattet ist, ein starkes Magnetfeld zu erzeugen. Bildnachweis: NASA / Jim Green.

Das Erdmagnetfeld, das von seinem Kern ausgeht, hat eine Stärke von ~ 6 * 10 ^ -5 Teslas in der Entfernung von der Erdoberfläche. Dies ist die Kraft, die Kompassnadeln ablenkt. Es ist auch die Kraft, die erforderlich ist, um unsere Atmosphäre gegen tödlichen Sonnenwind zu verteidigen. Ein weltraumgestütztes Magnetfeld auf dem Mars muss jedoch nicht ganz so stark sein. Zunächst einmal ist es unser Ziel, den Mars nur in der Magnetscheide des Feldes zu erfassen. es muss sich nicht so weit erstrecken wie die Erde. Die Erdmagnetscheide erstreckt sich über ~ 6 Millionen Kilometer. Mars L1 ist nur etwa 1 Million km vom Mars entfernt. Natürlich wollen wir einen gewissen Spielraum für potenzielle Sonneneruptionsereignisse einräumen, aber eine Erweiterung des Feldes um ~ 1,5 Millionen km ist wahrscheinlich ausreichend.

Eine andere zu berücksichtigende Sache ist die Tatsache, dass die Intensität des Sonnenwinds in Marsentfernung weniger als halb so hoch ist wie bei 1 AU. Dies bedeutet, dass wir nur ein Magnetfeld benötigen, das halb so stark ist wie das, was wir zur Verteidigung eines Planeten in der Entfernung der Erde von der Sonne benötigt hätten. Unter Berücksichtigung dieser beiden Faktoren muss ein weltraumgestütztes Magnetfeld um den Mars nur eine Stärke von etwa 11% der der Erde haben. Dadurch entsteht eine Magnetscheide, die lang genug ist, um 500.000 Kilometer über den Mars hinaus zu reichen.

Formel für die Magnetfeldstärke (B) in Teslas.

Mit der Magnetfeldgrößengleichung können wir nun die Stromstärke des „Drahtes“ ermitteln, der zur Erzeugung eines solchen Feldes erforderlich ist. Dies ergibt einen Strom von ~ 200 Megaampere. Jeder Elektriker weiß jetzt, dass wir einen BIG ASS-Draht brauchen werden.

Der nächste Teil der Berechnungen war wahrscheinlich das Schwierigste, meinen Kopf herumzuwickeln. Um die Größe des Drahtes zu ermitteln, müssen wir seinen Widerstand kennen. Um den Widerstand zu erhalten, müssen wir die Spannung kennen, die durch den Draht fließt. Um die Spannung zu ermitteln, müssen wir die Gesamtleistung kennen, die in den Draht gepumpt wird, um den Strom zu erzeugen. Es stellt sich heraus, dass wir die Leistungsaufnahme des Magnetfelds strategisch auswählen müssen, um dies zu lösen, da alles alles andere in der Ableitung beeinflusst.

Einige elektronische Gleichungen. Beachten Sie, dass Sie, wenn Sie die Leistungsaufnahme (P) und den Strom (I) kennen, bei einem bestimmten Material alles andere lösen können.

Da wir möchten, dass die Leistungsaufnahme (P) so gering wie möglich ist (weniger strenge Leistungsanforderungen für ein Raumfahrzeug), möchten wir auch, dass die Spannung (V) und damit der Widerstand (R) niedrig ist. Um den Widerstand niedrig zu halten, müssen wir einen Draht verwenden, der die kleinstmögliche Länge (L), aber auch eine große Querschnittsfläche (A) hat. Das einzige andere Unbekannte, das wir haben, ist der spezifische Widerstand (Rho) des Drahtes. Der spezifische Widerstand ist eine Eigenschaft eines Materials, die seine Fähigkeit definiert, elektrischem Strom zu widerstehen. Diesen Wert wollen wir auch niedrig halten. Kupfer ist die logische Wahl des zu verwendenden Materials, da es sowohl reichlich vorhanden ist als auch einen sehr niedrigen spezifischen Widerstand von ~ 1 * 10 ^ -8 aufweist. Wir können diesen Wert um eine Größenordnung senken, indem wir ihn bei kryogenen Temperaturen halten, was im Weltraum mit einem Sonnenschutz nicht schwer zu tun ist.

Das einzige verbleibende Rätsel besteht darin, einen Draht zu erzeugen, der eine kurze Länge und eine große Querschnittsfläche hat und ein Magnetfeld erzeugen kann. Um ein Magnetfeld zu erzeugen, leiten wir normalerweise einen Strom durch einen langen, dünnen Draht, der um einen Zylinder gewickelt ist. ein Magnet. Ziel ist es jedoch, einen Magneten mit kurzer Länge und großem Radius herzustellen. Die ideale Lösung ist dann ein Einzelschleifenmagnet, wenn man so will, ein „Donut“, der so fest gewickelt ist, dass das Loch in der Mitte nicht vorhanden ist. Dies lässt jedoch keinen Raum für Magnetfeldlinien durch und würde einen kontraproduktiven Rückstrom an sich selbst induzieren. Wenn wir stattdessen einen Magneten mit einer kleinen Öffnung in der Mitte verwenden, haben wir den Widerstand des Drahtes optimiert.

(Links & Mitte) Eine Darstellung, wie ähnlich ein Planetenmagnetfeld und das Magnetfeld eines Einzelschleifenmagneten sind. (Rechts) Ein Beispiel für einen geschlossenen Torus (Einzelschleifenmagnet), die ideale Lösung für ein System mit minimalem elektrischen Widerstand zur Erzeugung eines Magnetfelds. Wir benötigen ein kleines Loch in der Mitte, damit unser Magnetfeld hindurchtreten kann.

Alles, was wir jetzt brauchen, ist ein strategisch gewählter Wert für die Leistungsaufnahme, um alles andere zu lösen. Wenn Sie wirklich wollten, könnten Sie einige Standard-Sonnenkollektoren auf Ihr Raumschiff schlagen und eine (relativ) kleine Leistungsaufnahme verwenden, um Ihr magnetisches Feld in Planetengröße zu erzeugen. Das ist eine schlechte Idee. Es stellt sich heraus, dass je niedriger Ihre Leistungsaufnahme ist, desto größer muss Ihr Kupfermagnet sein, um dies zu kompensieren. Selbst bei Verwendung von mehr als 4000 m² Sonnenkollektoren mit einem Wirkungsgrad von 20% hätte der Magnet mehr Masse als das gesamte in der Erdkruste verfügbare Kupfer. Um einen Magneten herzustellen, der klein und leicht genug ist, um ihn angemessen herzustellen und in die Umlaufbahn des Mars zu bringen, benötigen wir einen großen Stromgenerator.

Moderne Spaltreaktoren können mehr als ein Gigawatt Strom produzieren, von denen etwa 1/3 für die Stromerzeugung nützlich ist. Mit dieser Vorlage können wir einen leistungsstarken, futuristischen Spaltreaktor theoretisieren, um unsere defensive Mars-Magnetosphäre zu versorgen. Nach mehreren Iterationen bezüglich der Dimensionierung sowohl des Solenoids als auch des Spaltreaktors stellte ich fest, dass ein 830-Megawatt-Reaktor die ideale Lösung ist, vorausgesetzt, der thermische Wirkungsgrad beträgt 50%. Dies bedeutet, dass 415 Megawatt Nutzleistung in den Magneten fließen, um unser Magnetfeld zu erzeugen. Jetzt können wir alle anderen Parameter von zuvor erfolgreich lösen:

Einige Ergebnisse aus einem MATLAB-Code, den ich geschrieben habe, denn wer möchte das alles von Hand machen?

Einige Dinge, die zu beachten sind, sind die außergewöhnlich niedrige Spannung für das System von ungefähr 2 Volt und die Abmessungen / Masse des Kupfermagneten, die zu einem Torus mit einem Gesamtdurchmesser von ~ 3,5 Metern und einer Masse von ~ 57 Tonnen führen. Dies ist ein großer Kupferkrapfen. Es würde den durchschnittlichen Wohnbereich von Wand zu Wand ausfüllen und mehr als das 6-fache der zulässigen Masse eines beladenen Lastwagens auf der Autobahn wiegen. An der Oberfläche des Solenoids wird ein Magnetfeld von ~ 81 Teslas erzeugt; Fast doppelt so stark wie das stärkste künstliche kontinuierliche Magnetfeld, das jemals erzeugt wurde. Zu beachten ist auch, dass ein Spaltreaktor dieser Größe alle zwei Jahre über 40 Tonnen Uran benötigt, um in Betrieb zu bleiben. Dies könnte das größte Problem für zukünftige Bestrebungen der Mars-Magnetosphäre sein, da ein Start von der Erde zum Mars etwa 18 Monate dauert und der Uranreichtum auf dem Mars selbst unbekannt ist.

Es gibt noch einige Dinge, die wir über das Raumschiff selbst nicht angesprochen haben. Für das Magnetfeld werden 415 Megawatt Leistung in den Kupfermagneten gepumpt, gleichzeitig werden 415 Megawatt zusätzliche Leistung in Abwärme umgewandelt. Um diese Wärme abzuleiten, benötigen wir ein leistungsfähiges Wärmekontrollsystem. Der Sonnenschutz schützt das Raumschiff vor der Aufnahme zusätzlicher Wärme von der Sonne, aber wir benötigen noch einige hoch emittierende Kühlerplatten, um die Wärme vom Reaktor abzuleiten. Siliziumkarbid hat ein relativ hohes Emissionsvermögen von 0,7 und kann Temperaturen von ~ 2000 K erreichen, ohne Verformung oder Verlust der Strahlungseffizienz zu erleiden. Bei Verwendung von Siliziumkarbid-Heizkörpern, die von beiden Seiten Abwärme abgeben, sind für mein Design 325 m² Platten erforderlich. Dies entspricht 4 Paneelen mit quadratischen Abmessungen von etwa 9 Metern pro Seite.

Formel für die effektive Kühleroberfläche nach Stephan-Boltzmann-Gesetz.

Nachdem ich all dies berücksichtigt hatte, konnte ich einige Schätzungen über die Masse eines solchen Schiffes vornehmen. Ich habe einen Kapton-beschichteten Aluminium-Sonnenschutz mit einer Dicke von 2 cm und einem Durchmesser verwendet, der groß genug ist, um das gesamte Raumschiff vor Sonnenlicht, Heizkörpern und allem zu schützen. Ich nahm an, dass der Rumpf eine Dicke von 5 cm hat und aus Aluminiumlegierungen besteht. Das Gehäuse für den Spaltreaktor besteht aus 5 cm festem Blei. Ich habe auch etwas mehr Masse sowohl für RCS-Manövrierkraftstoff als auch für Computer und Elektronik in Angriff genommen. Am Ende des Tages waren hier die Ergebnisse meiner Raumfahrzeuggröße:

Ergebnisse der Größenbestimmung von Raumfahrzeugen. Es ist zu beachten, dass RCS-Treibmittel und Fremdmasse als Prozentsätze der gesamten Fahrzeugmasse bzw. der Trockenmasse des Rumpfes behandelt wurden.

Gar nicht zu weit hergeholt. Die Gesamtmasse des Fahrzeugs beträgt ca. 317 Tonnen. Dies würde drei separate Starts des Mars L1 von SpaceXs vorgeschlagenem BFR erfordern, von dem Musk behauptet, dass er Mitte der 2020er Jahre betriebsbereit sein wird. Es ist interessant festzustellen, dass der Spaltreaktor und der Kupfermagnet mehr als 50% der Masse des Raumfahrzeugs ausmachen. Für eine weitere Perspektive auf die Dimensionierung von Raumfahrzeugen habe ich ein Bild eines möglichen Layouts für den Rumpf und die Systeme beigefügt, die von meinem guten Freund Jack erstellt wurden:

Eine Skizze des Raumfahrzeugs zur Größenreferenz. Teile entsprechend gekennzeichnet.

Einige Fragen

Das größte Problem hierbei ist der Versand von 40 Tonnen Uran zum Mars L1 alle zwei Jahre. Dies könnte wahrscheinlich durch die Entwicklung der Fusionskraft in relativ naher Zukunft gemildert werden. Ein weiteres Problem ist der enorme Magnetismus in unmittelbarer Nähe des Kupfermagneten und die Strahlung des Spaltreaktors. Eine strategische Abschirmung der elektronischen und Computerkomponenten des Raumfahrzeugs ist erforderlich, um Probleme in Bezug auf diese Phänomene zu vermeiden. Die Herstellung eines riesigen Kupferkrapfen steht wahrscheinlich auch ganz oben auf der Liste der Herausforderungen, denen sich eine künstliche Mars-Magnetosphäre gegenübersieht.

Ein weiteres potenzielles Problem, von dem ich keine Ahnung habe, wie ich es lösen soll (oder ob es überhaupt ein Problem sein wird), ist die Tatsache, dass wir einen etwa 500.000 Kilometer langen Schwad geladener Teilchen von der Sonne umleiten, der sich 300 km / s direkt in die Sonne bewegt Mitte eines Kupferkrapfen von beiden Seiten. Auf der Erde treffen diese umgeleiteten Partikel auf die Atmosphäre der Pole und erzeugen eine wunderschöne Lichtdarstellung, die als Corona Borealis bekannt ist. In unserem Fall habe ich keine Ahnung, was passieren würde. Was auch immer die Konsequenzen sein mögen, wir müssen entsprechend vorgehen!

Fazit

Ein kitschiges MATLAB-Rendering der Erweiterung der künstlichen Mars-Magnetscheide. Das blaue Pluszeichen ist der Ursprung des Feldes auf dem Mars L1, und der rote Kreis ist der Mars.

Und so konnte der Mars mit nicht mehr als 300 Tonnen Material und etwas menschlichem Einfallsreichtum erneut eine feste Verteidigungslinie gegen Sonnenwinde vorweisen. Ein solches Feld würde es ermöglichen, eine Atmosphäre um den Planeten herum zu entwickeln, ohne dass die Gefahr besteht, dass sie entfernt wird, und eine Ozonschicht, um sich gegen hochenergetisches UV-Licht zu verteidigen. Elektronische Geräte und biologische Einheiten auf dem Mars könnten endlich vor dem endlosen Flut von Protonen und Elektronen geschützt sein, die von der Sonne kommen.

** Wenn Sie weitere Fragen zu meinen Berechnungen oder Annahmen haben, konsultieren Sie mich bitte in den Kommentaren oder per privater Nachricht. Ich habe viel mehr gearbeitet, als ich hier geschrieben habe! **