Magnetisches Segel

Ein magnetisches Segel oder magsail sind eine vorgeschlagene Methode des Raumfahrzeugantriebs, der ein statisches magnetisches Feld verwenden, um beladene Partikeln abzulenken, die durch die Sonne als ein Plasmawind ausgestrahlt sind, und so Schwung geben würde, um das Raumfahrzeug zu beschleunigen. Ein magnetisches Segel konnte auch direkt gegen planetarischen und Sonnenmagnetospheres stoßen.

Grundsätze der Operation und des Designs

Der Sonnenwind ist ein feiner Strom von Plasma, das nach außen von der Sonne fließt: In der Nähe von der Bahn der Erde enthält es mehrere Millionen Protone und Elektronen pro Kubikmeter und fließt daran. Das magnetische Segel führt ein magnetisches Feld in diesen Plasmafluss, Senkrechte zur Bewegung der beladenen Partikeln ein, die die Partikeln von ihrer ursprünglichen Schussbahn ablenken können: Der Schwung der Partikeln wird dann dem Segel übertragen, zu einem Stoß auf dem Segel führend. Ein Vorteil von magnetischen oder Sonnensegeln über (chemisch oder Ion) Reaktionsträgerraketen sind, dass keine Reaktionsmasse entleert oder im Handwerk getragen wird.

In typischen magnetischen Segel-Designs wird das magnetische Feld durch eine Schleife erzeugt, Leitung superzuführen. Weil Schleifen von Strom tragenden Leitern dazu neigen, nach außen zu einer kreisförmigen Gestalt durch ihr eigenes magnetisches Feld gezwungen zu werden, konnte das Segel einfach durch das Unspulen der Leiter und die Verwendung eines Stroms dadurch aufmarschiert werden.

Für ein Segel im Sonnenwind ein AU weg von der Sonne ist die Feldkraft, die erforderlich ist, dem dynamischen Druck des Sonnenwinds zu widerstehen, 50 nT. Das vorgeschlagene magnetische Segel-Design von Zubrin würde eine Luftblase des Raums dessen schaffen, wo Sonnenwind-Ionen mit einem Reifen im Radius wesentlich abgelenkt werden. Die minimale Masse solch einer Rolle wird durch materielle Kraft-Beschränkungen an grob beschränkt, und es würde des Stoßes erzeugen, ein Verhältnis der Masse/Stoßes von 600 kg/N gebend. Es ist nicht klar, wie solch eine Rolle abgekühlt würde.

Die Operation von magnetischen Segeln mit dem Plasmawind ist der Operation von Sonnensegeln mit dem Strahlendruck von durch die Sonne ausgestrahlten Fotonen analog. Obwohl Sonnenwindpartikeln Rest-Masse haben und Fotonen nicht tun, hat Sonnenlicht Tausende von Zeiten mehr Schwung als der Sonnenwind. Deshalb muss ein magnetisches Segel ein proportional größeres Gebiet des Sonnenwinds ablenken als ein vergleichbares Sonnensegel, um denselben Betrag des Stoßes zu erzeugen. Jedoch braucht es nicht so massiv zu sein wie ein Sonnensegel, weil der Sonnenwind durch ein magnetisches Feld statt eines großen physischen Segels abgelenkt wird. Herkömmliche Materialien für Sonnensegel wiegen ringsherum, einen Stoß daran gebend. Das gibt ein Verhältnis der Masse/Stoßes von mindestens 700 kg/N, die einem magnetischen Segel ähnlich sind, andere Strukturbestandteile vernachlässigend.

Die magnetischen und Sonnensegel haben einen Stoß, der als das Quadrat der Entfernung von der Sonne zurückgeht.

Als in der Nähe von einem Planeten mit einem starken magnetosphere wie Erde oder ein Gasriese das magnetische Segel mehr gestoßen erzeugen konnte, indem es mit dem magnetosphere statt des Sonnenwinds aufeinander gewirkt worden ist, und deshalb effizienter sein kann.

Mini-magnetospheric Plasmaantrieb

Um die Größe und das Gewicht des Magnets des magnetischen Segels zu reduzieren, kann es möglich sein, das magnetische Feld mit einem Plasma ebenso aufzublasen, dass das Plasma um die Erde das magnetische Feld der Erde im magnetosphere ausstreckt. In dieser Annäherung, genannt mini-magnetospheric Plasmaantrieb (M2P2), Ströme, die das Plasmaaugment durchbohren, und ersetzen teilweise die Ströme in der Rolle. Wie man erwartet, ist das weit von der Sonne besonders nützlich, wo die vergrößerte wirksame Größe eines M2P2-Segels den reduzierten dynamischen Druck des Sonnenwinds ersetzt. Das ursprüngliche Design von NASA schlägt ein Raumfahrzeug vor, das einen Elektromagneten in der Form von der Dose enthält, in den ein Plasma eingespritzt wird. Der Plasmadruck streckt das magnetische Feld und bläst eine Luftblase von Plasma um das Raumfahrzeug auf. Der Strom im Plasma vermehrt in diesem Fall und ersetzt teilweise Strom in den Rollen. Das Plasma erzeugt dann eine Art miniaturisierten magnetosphere um das Raumfahrzeug, das dem magnetosphere analog ist, der die Erde umgibt. Die Protone und Elektronen, die den Sonnenwind zusammensetzen, werden durch diesen magnetosphere abgelenkt, und die Reaktion beschleunigt das Raumfahrzeug. Der Stoß des M2P2 Geräts würde einigermaßen lenkbar sein, potenziell dem Raumfahrzeug erlaubend, in den Sonnenwind 'zu wenden' und effiziente Änderungen der Bahn erlaubend.

Im Fall vom (M2P2) System musste das Raumfahrzeugausgabe-Benzin, um das Plasma zu schaffen, die etwas undichte Plasmaluftblase aufrechterhalten. Das M2P2 System hat deshalb einen wirksamen spezifischen Impuls, der der Betrag von pro Newton des Stoßes verbrauchtem Benzin ist. Das ist eine Zahl des für Raketen gewöhnlich verwendeten Verdiensts, wo der Brennstoff wirklich Reaktionsmasse ist. Robert Winglee, der ursprünglich die M2P2 Technik vorgeschlagen hat, berechnet einen spezifischen Impuls von 200 kN · s/kg (ungefähr 50mal besser als Raumfähre Hauptmotor). Diese Berechnungen weisen darauf hin, dass das System auf der Ordnung eines Kilowatts der Macht pro Newton des Stoßes beträchtlich tiefer verlangt als elektrische Trägerraketen, und dass das System denselben Stoß überall innerhalb des heliopause erzeugt, weil sich das Segel automatisch ausbreitet, weil der Sonnenwind weniger dicht wird. Jedoch wird diese Technik weniger gut verstanden als das einfachere magnetische Segel und die Probleme dessen, wie groß und schwer die magnetische Rolle würde sein müssen, oder ob der Schwung vom Sonnenwind dem Raumfahrzeug effizient übertragen werden kann, sind unter dem Streit.

Die Vergrößerung des magnetischen Feldes mit eingespritztem Plasma ist in einem großen Vakuumraum auf der Erde erfolgreich geprüft worden, aber die Entwicklung des Stoßes war nicht ein Teil des Experimentes. Eine Balken-angetriebene Variante, MagBeam, ist auch unter der Entwicklung.

Verfahrensweisen

In einem Plasmawind

Wenn

es weg von planetarischem magnetospheres funktioniert, würde ein magnetisches Segel die positiv beladenen Protone des Sonnenwinds zwingen sich zu biegen, als sie das magnetische Feld durchgeführt haben. Die Änderung des Schwungs der Protone würde gegen das magnetische Feld, und so gegen die Feldrolle stoßen.

Ebenso mit Sonnensegeln können magnetische Segel "wenden". Wenn ein magnetisches Segel in einem Winkel hinsichtlich des Sonnenwinds orientiert, werden beladene Partikeln bevorzugt zu einer Seite abgelenkt, und das magnetische Segel wird seitlich gestoßen. Das bedeutet, dass magnetische Segel zu den meisten Bahnen manövrieren konnten.

In dieser Weise geht der Betrag des durch ein magnetisches Segel erzeugten Stoßes mit dem Quadrat seiner Entfernung von der Sonne zurück, als die Flussdichte von beladenen Partikeln abnimmt. Sonnenwetter hat auch Haupteffekten auf das Segel. Es ist möglich, dass der Plasmaausbruch von einem strengen Sonnenaufflackern ein effizientes, zerbrechliches Segel beschädigen konnte.

Ein häufiger Irrtum ist, dass ein magnetisches Segel die Geschwindigkeit des Plasmas nicht überschreiten kann, es stoßend. Als die Geschwindigkeit eines magnetischen Segels zunimmt, wird seine Beschleunigung abhängiger von seiner Fähigkeit, effizient zu wenden. Mit hohen Geschwindigkeiten wird die Richtung des Plasmawinds scheinen, zunehmend aus der Vorderseite des Raumfahrzeugs zu kommen. Fortgeschrittenes segelndes Raumfahrzeug könnte Feldrollen als "Kiele" einsetzen, so konnte das Raumfahrzeug den Unterschied im Vektoren zwischen dem magnetischen Sonnenfeld und dem Sonnenwind viel verwenden, wie segelnde Jachten tun.

Innerhalb eines planetarischen magnetosphere

Innerhalb eines planetarischen magnetosphere kann ein magnetisches Segel gegen ein magnetisches Feld eines Planeten besonders in einer Bahn stoßen, die die magnetischen Pole des Planeten auf eine ähnliche Weise zu einem Electrodynamic-Haltestrick überträgt.

Die Reihe von Manövern, die für ein magnetisches Segel innerhalb eines planetarischen magnetosphere verfügbar sind, wird mehr beschränkt als in einem Plasmawind. Ebenso mit den vertrauteren kleinen auf der Erde verwendeten Magneten kann ein magnetisches Segel nur zu den Polen des magnetosphere angezogen oder von ihnen abhängig von seiner Orientierung zurückgetrieben werden.

Wenn das Feld des magnetischen Segels in der entgegengesetzten Richtung zum magnetosphere orientiert wird, erfährt es eine Kraft nach innen und zum nächsten Pol, und wenn es in derselben Richtung wie der magnetosphere orientiert wird, erfährt es die entgegengesetzte Wirkung. Ein magnetisches Segel, das in derselben Richtung wie der magnetosphere orientiert ist, ist nicht stabil, und wird sich davon abhalten müssen, zur entgegengesetzten Orientierung durch einige andere Mittel geschnipst zu werden.

Der Stoß, den ein magnetisches Segel innerhalb eines magnetosphere liefert, nimmt mit der vierten Macht seiner Entfernung vom inneren magnetischen Dynamo des Planeten ab.

Das hat manövrierende Fähigkeit beschränkt ist noch ziemlich nützlich. Durch das Verändern der Feldkraft des magnetischen Segels über den Kurs seiner Bahn kann ein magnetisches Segel sich einen "Erdnähe-Stoß" Aufhebung der Höhe des Apogäums seiner Bahn geben.

Das Wiederholen dieses Prozesses mit jeder Bahn kann das Apogäum des magnetischen Segels höher und höher steuern, bis das magnetische Segel im Stande ist, den planetarischen magnetosphere zu verlassen und den Sonnenwind zu fangen. Derselbe Prozess kann rückwärts verwendet werden, um zu sinken, oder circularize das Apogäum einer Bahn eines magsail, wenn es einen Bestimmungsort-Planeten erreicht.

In der Theorie ist es für ein magnetisches Segel möglich, direkt von der Oberfläche eines Planeten in der Nähe von einem seiner magnetischen Pole loszufahren, sich vom magnetischen Feld des Planeten zurücktreibend. Jedoch verlangt das, dass das magnetische Segel in seiner "nicht stabilen" Orientierung aufrechterhalten wird. Ein Start von der Erde verlangt Supraleiter mit 80mal der aktuellen Dichte der am besten bekannten Hoch-Temperatursupraleiter.

Interstellares Reisen

Interstellarer Raum enthält sehr kleine Beträge von Wasserstoff. Ein schnell bewegendes Segel würde diesen Wasserstoff durch die Beschleunigung der Elektronen in einer Richtung und der entgegengesetzt beladenen Protone in der anderen Richtung ionisieren. Die Energie für die Ionisation und Zyklotron-Radiation würde aus der kinetischen Energie des Raumfahrzeugs kommen, das Raumfahrzeug verlangsamend. Die Zyklotron-Radiation von der Beschleunigung von Partikeln würde ein leicht entdecktes Heulen in Radiofrequenzen sein.

So in interstellarem spaceflight außerhalb des heliopause eines Sterns konnte ein magnetisches Segel als ein Fallschirm handeln, um ein Raumfahrzeug zu verlangsamen. Das entfernt irgendwelche Kraftstoffvoraussetzungen für die Verlangsamung Hälfte einer interstellaren Reise, die interstellarem Reisen enorm nützen würde. Der magsail wurde zuerst für diesen Zweck 1985 von Robert Zubrin und Dana Andrews vorgeschlagen, anderen Gebrauch zurückdatierend, und hat sich von einem Konzept des Staustrahltriebwerks von Bussard entwickelt, das eine magnetische Schaufel verwendet hat, um interstellares Material zu sammeln.

Magnetische Segel konnten auch mit dem Balken-angetriebenen Antrieb durch das Verwenden eines Hochleistungspartikel-Gaspedals verwendet werden, um einen Balken von beladenen Partikeln am Raumfahrzeug anzuzünden. Der magsail würde diesen Balken ablenken, Schwung dem Fahrzeug übertragend. Das würde viel höhere Beschleunigung zur Verfügung stellen als ein durch einen Laser gesteuertes Sonnensegel, aber ein beladener Partikel-Balken würde sich in einer kürzeren Entfernung zerstreuen als ein Laser wegen der elektrostatischen Repulsion seiner Teilpartikeln. Dieses Streuungsproblem konnte durch die Beschleunigung eines Stroms von Segeln potenziell aufgelöst werden, die dann der Reihe nach ihren Schwung einem magsail Fahrzeug, wie vorgeschlagen, durch Jordin Kare übertragen.

Erfundener Gebrauch

Das magnetische Segel ist zuerst in der Sciencefiction in der 1967-Novelle von Poul Anderson geschienen, Ewigkeit Zu überleben, der von der Tau neuartigen Null 1970 gefolgt wurde. Es erscheint als ein entscheidendes Anschlag-Gerät in der Stunde der Kinder, ein Kriegsroman des Mannes-Kzin von Jerry Pournelle und S.M. Stirling (1991). Es zeigt auch prominent in den Sciencefictionsromanen von Michael Flynn, besonders im Wrack des Flusses von Sternen (2003); dieses Buch ist das Märchen des letzten Flugs eines magnetischen Segel-Schiffs, als auf dem Farnsworth-Hirsch Fusor gestützte Fusionsraketen die bevorzugte Technologie geworden sind.

Siehe auch

  • Haltestrick von Electrodynamic wirkt mit magnetosphere auf die ähnliche Weise zu magsail aufeinander
  • Magnetisiert hat Plasmaantrieb (MagBeam) (Verbindung) — eine Balken-angetriebene Variante von M2P2 gestrahlt.
  • Raumfahrzeugantrieb — Andere Methoden des Raumfahrzeugantriebs haben gepflegt, die Geschwindigkeit des Raumfahrzeugs und der künstlichen Satelliten zu ändern.
Liste von Plasma (Physik) Artikel

Links


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