Mars eine Magnetosphäre geben

Ein Nachtrag zu "Terraforming Mars"

Das Problem

Alle zukünftigen Kolonisationsbemühungen, die auf den Mars gerichtet sind, haben ein gemeinsames Problem. ihre Abhängigkeit von einem nicht vorhandenen Magnetfeld. Die Magnetosphäre des Mars wurde vor etwa 4 Milliarden Jahren dunkel, als der Kern erstarrte, 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 enthielt einst Gase, die möglicherweise die Entwicklung eines einfachen Lebens ermöglichten. Dies alles wurde durch das prähistorische Magnetfeld des Mars abgeschirmt.

Mars hatte früher Ozeane! Dann hat es seine Magnetosphäre verloren :(

Als die magnetische Verteidigungslinie des Mars abfiel, wurde ein Großteil seiner Atmosphäre in den Weltraum gerissen, seine Ozeane erstarrten tief im roten Regolith, und jede Chance für das Leben, dort zu gedeihen, wurde erstickt. Die Reduzierung der Treibhausgase ließ die Mars-Temperatur sinken und die verbleibende Atmosphäre an den Polen einfrieren. Heute ist der Mars so gut wie tot. Ohne ein Magnetfeld bombardiert eine tödliche Ansammlung geladener Teilchen von der Sonne täglich die Marsoberfläche und bedroht das Potenzial, elektronische Systeme und das biologische 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 Terraforming des Planeten völlig überholt zu machen.

Die Lösung

Ich habe viele Artikel über das Potenzial der Versorgung des Mars mit einem künstlichen Magnetfeld gelesen. Durch Platzieren eines Satelliten, der mit Technologie zur Erzeugung eines starken Magnetfelds auf dem Mars L1 ausgestattet ist (eine Umlaufbahn um den Mars, in der die Schwerkraft der Sonne die Schwerkraft des Mars ausgleicht, sodass der Satellit immer zwischen Mars und Sonne bleibt), könnten 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 werden die Dinge technisch. Es ist keine Schande, die grundlegenden Ergebnisse zu finden! **

Konzept für eine künstliche Marsmagnetosphäre 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 in der Entfernung von der Erdoberfläche eine Stärke von ~ 6 * 10 ^ -5 Teslas. 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 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 wie die Erde erstrecken. Die Erdmagnetscheide erstreckt sich auf ~ 6 Millionen Kilometer. Mars L1 ist nur etwa 1 Million km vom Mars entfernt. Natürlich wollen wir einen gewissen Spielraum für mögliche Sonneneruptionsereignisse einräumen, aber eine Ausdehnung des Feldes um 1,5 Millionen km ist wahrscheinlich ausreichend.

Zu berücksichtigen ist auch die Tatsache, dass die Intensität des Sonnenwinds in Marsentfernung weniger als die Hälfte der Intensität bei 1 AE beträgt. Dies bedeutet, dass wir nur ein Magnetfeld brauchen, das halb so stark ist wie das, was wir benötigt hätten, um einen Planeten in der Entfernung der Erde von der Sonne zu verteidigen. Unter Berücksichtigung dieser beiden Faktoren muss ein weltraumgestütztes Magnetfeld um den Mars nur eine Stärke von ungefähr 11% der Stärke 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, um meinen Kopf zu wickeln. Um die Größe des Drahtes zu bestimmen, müssen wir seinen Widerstand kennen. Um den Widerstand zu erhalten, müssen wir die Spannung kennen, die durch das Kabel 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 den Leistungseingang des Magnetfelds strategisch auswählen müssen, um dies zu lösen, da sich alles auf alles andere in der Ableitung auswirkt.

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

Da wir möchten, dass die Leistungsaufnahme (P) so niedrig 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 gering zu halten, müssen wir einen Draht verwenden, der die kleinstmögliche Länge (L), aber auch eine große Querschnittsfläche (A) aufweist. 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 ebenfalls niedrig halten. Kupfer ist die logische Wahl des zu verwendenden Materials, da es reichlich vorhanden ist und 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 schwierig 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 Solenoid. Das Ziel hierbei ist jedoch, einen Elektromagneten herzustellen, der eine kurze Länge und einen großen Radius aufweist. Die ideale Lösung ist dann eine Magnetspule mit einer Schleife, ein „Donut“, der so fest eingewickelt ist, dass das Loch in der Mitte nicht mehr vorhanden ist. Dies lässt jedoch keinen Raum für Magnetfeldlinien durch und würde einen kontraproduktiven Rückstrom an sich induzieren. Wenn wir stattdessen einen Elektromagneten mit einer kleinen Öffnung in der Mitte verwenden, haben wir den Widerstand des Drahtes optimiert.

(Links & Mitte) Eine Darstellung der Ähnlichkeit eines planetarischen Magnetfelds und des Magnetfelds eines Einkreis-Solenoids. (Rechts) Ein Beispiel für einen geschlossenen Torus (Einkreismagnet), 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 hindurchgeht.

Alles, was wir jetzt brauchen, ist ein strategisch ausgewählter Wert für die Leistungsaufnahme, um alles andere zu lösen. Wenn Sie es wirklich wollten, könnten Sie einige Standard-Sonnenkollektoren auf Ihr Raumfahrzeug klopfen und mit einer (relativ) geringen Leistungsaufnahme Ihr planetares Magnetfeld erzeugen. Das ist eine schlechte Idee. Es stellt sich heraus, dass Ihr Kupfermagnet umso größer sein muss, je niedriger Ihre Leistungsaufnahme ist, um dies auszugleichen. Selbst bei Verwendung von mehr als 4000 m² Solarmodulen mit einem Wirkungsgrad von 20% hätte der Elektromagnet mehr Masse als das gesamte in der Erdkruste vorhandene Kupfer. Um einen Magneten zu bauen, der klein und leicht genug ist, um angemessen hergestellt und in die Marsumlaufbahn gebracht zu werden, benötigen wir einen großen Stromgenerator.

Moderne Spaltreaktoren können mehr als ein Gigawatt Strom produzieren, wovon etwa ein Drittel für die Stromerzeugung benötigt wird. Anhand dieser Vorlage können wir einen leistungsstarken, futuristischen Spaltreaktor für die Versorgung unserer defensiven Mars-Magnetosphäre theoretisieren. Nach mehreren Iterationen hinsichtlich der Dimensionierung des Solenoids und des Spaltreaktors stellte ich fest, dass ein 830-Megawatt-Reaktor die ideale Lösung ist, wenn ein thermischer Wirkungsgrad von 50% angenommen wird. Dies bedeutet, dass 415 Megawatt Nutzleistung in den Elektromagneten fließen, um unser Magnetfeld zu erzeugen. Jetzt können wir erfolgreich nach allen anderen Parametern von vorher auflösen:

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

Zu beachten sind die außergewöhnlich niedrige Spannung des Systems von etwa 2 Volt und die Abmessungen / Masse des Kupfersolenoids, 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 Wohnraum von Wand zu Wand ausfüllen und mehr als das 6-fache der zulässigen Masse eines beladenen Lastwagens auf der Autobahn wiegen. Ein Magnetfeld von ~ 81 Teslas wird an der Oberfläche des Solenoids erzeugt; Fast doppelt so stark wie das bisher stärkste künstliche Dauermagnetfeld. 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 künftige Bestrebungen in der Mars-Magnetosphäre sein, da ein Start vom Mars von der Erde aus etwa 18 Monate in Anspruch nimmt und die Häufigkeit von Uran auf dem Mars selbst nicht bekannt ist.

Es gibt noch ein paar Dinge, die wir über das Raumschiff selbst nicht angesprochen haben. In den Kupfersolenoid für das Magnetfeld werden 415 Megawatt Leistung gepumpt, gleichzeitig werden 415 Megawatt Zusatzleistung in Abwärme umgewandelt. Um diese Wärme abzuführen, benötigen wir ein leistungsfähiges Wärmeregelungssystem. Die Sonnenblende schützt das Raumschiff vor der Aufnahme zusätzlicher Sonnenwärme. Wir benötigen jedoch noch einige hoch emittierende Heizkörper, um die Wärme aus dem Reaktor abzuleiten. Siliciumcarbid hat ein relativ hohes Emissionsvermögen von 0,7 und kann Temperaturen von ~ 2000 K erreichen, ohne dass es zu einer Verformung oder einem Verlust der Strahlungseffizienz kommt. Bei der Verwendung von Siliziumkarbid-Radiatoren, die von beiden Seiten Abwärme abgeben, werden 325 m² Paneele benötigt. Dies entspricht 4 Platten mit quadratischen Abmessungen von etwa 9 Metern pro Seite.

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

Nachdem ich all dies berücksichtigt hatte, konnte ich einige Schätzungen über die Masse eines solchen Schiffes vornehmen. Ich verwendete einen mit Kapton beschichteten Aluminium-Sonnenschutz mit einer Dicke von 2 cm und einem Durchmesser, der groß genug war, um das gesamte Raumschiff vor Sonnenlicht, Radiatoren und allem anderen zu schützen. Für den Rumpf habe ich eine Dicke von 5 cm angenommen, die aus Aluminiumlegierungen besteht. Das Gehäuse für den Spaltreaktor besteht aus 5 cm festem Blei. Ich habe auch etwas mehr Masse für RCS-Manövrierkraftstoff sowie für Computer und Elektronik angeheftet. Am Ende des Tages waren hier die Ergebnisse meiner Raumschiff-Größenbestimmung:

Ergebnisse der Dimensionierung von Raumfahrzeugen. Es ist zu beachten, dass das RCS-Treibmittel und die Fremdmasse als Prozentsätze der Gesamtmasse des Fahrzeugs bzw. der Trockenmasse des Rumpfes behandelt wurden.

Gar nicht so weit hergeholt. Die Gesamtmasse des Fahrzeugs beträgt ca. 317 Tonnen. Dies würde drei separate Starts von Mars L1 aus dem von SpaceX vorgeschlagenen BFR erfordern, dessen Einsatz Musk bis Mitte der 2020er Jahre vorweisen kann. Interessanterweise machen der Spaltreaktor und der Kupfersolenoid mehr als 50% der Raumfahrzeugmasse aus. Um die Dimensionierung von Raumfahrzeugen etwas genauer zu betrachten, habe ich ein Bild eines möglichen Layouts für den Rumpf und die Systeme eingefügt, die von meinem guten Freund Jack erstellt wurden:

Eine Skizze des Raumfahrzeugs als Referenz für die Größenbestimmung. Teile entsprechend gekennzeichnet.

Einige Fragen

Das größte Problem hierbei ist die Lieferung von 40 Tonnen Uran alle zwei Jahre zum Mars L1. Dies könnte wahrscheinlich durch die Entwicklung der Fusionskraft in relativ naher Zukunft gemildert werden. Ein weiteres Problem sind der enorme Magnetismus in unmittelbarer Nähe des Kupfersolenoids und die Strahlung aus dem Spaltreaktor. Eine strategische Abschirmung der Elektronik- und Computerkomponenten des Raumfahrzeugs ist erforderlich, um Probleme im Zusammenhang mit diesen Phänomenen zu vermeiden. Die Herstellung eines riesigen Kupferdoughnuts steht wahrscheinlich auch ganz oben auf der Liste der Herausforderungen, denen sich eine künstliche Mars-Magnetosphäre gegenübersieht.

Ein weiteres potenzielles Problem, dessen Lösung ich nicht genau weiß (oder das überhaupt ein Problem sein wird), ist die Tatsache, dass wir einen ~ 500.000 Kilometer langen Schwad geladener Teilchen von der Sonne umleiten, die sich mit 300 km / s direkt in die Sonne bewegen Mitte eines Kupferkrapfens 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 werden dementsprechend damit umgehen müssen!

Fazit

Ein kitschiges MATLAB-Rendering der Verlängerung 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 Mars mit nicht mehr als 300 Tonnen Material und menschlichem Einfallsreichtum erneut eine feste Verteidigungslinie gegen Sonnenwinde vorweisen. Ein solches Feld würde es ermöglichen, eine Atmosphäre um den Planeten herum zu erzeugen, ohne dass die Gefahr besteht, dass sie abgestreift wird, und eine Ozonschicht, um sich gegen energiereiches UV-Licht zu schützen. Elektronische Geräte und biologische Einheiten auf dem Mars könnten endlich vor dem endlosen Sperrfeuer von Protonen und Elektronen geschützt werden, die von der Sonne aufgespült werden.

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