Сонячні бурі — це потоки заряджених частинок неймовірної енергії. І проти них є один перевірений захист — магнітне поле. Але чи можна з цією метою використовувати не електричні контури, а постійні магніти? Науковці знайшли відповідь на це запитання.
Галактичні космічні промені та технології захисту від них
Захист астронавтів від смертельної радіації, з якою вони стикаються, є головним викликом для будь-якого розробника пілотованих місій у далекий космос. Навіть відносно низькі рівні опромінення протягом тривалих періодів можуть призвести до різних наслідків — від ураження центральної нервової системи до раку.
Однак наявні рішення, такі як пасивні водяні оболонки або активні надпровідні магніти, мають свої обмеження. Щоб їх подолати, Валеріо Парізі та його колеги з Італії й Німеччини у новій статті розглянули можливість використання постійного магніту, а отже й створюваного ним магнітного поля, для блокування частини цього випромінювання без значних енергетичних витрат, характерних для альтернативних технологій. Про це повідомляє сайт www.space.com.
Найнебезпечнішими джерелами космічного випромінювання є два його типи. Перший — галактичні космічні промені (GCR), які безперервно пронизують міжпланетний простір. Вони складаються переважно з високоенергетичних атомних ядер, легко проникають крізь матерію і надходять до Сонячної системи з різних напрямків Галактики. Другим є потужний спалах протонів — сонячні протонні події (SPE), під час яких Сонце викидає величезну кількість високоенергетичних протонів та інших заряджених частинок. Якщо космічний апарат опиняється на шляху такого потоку, екіпаж може зазнати небезпечної або навіть смертельної дози опромінення, якщо не матиме належного захисту.
Найпоширеніший спосіб захисту від цих джерел випромінювання полягає в тому, щоб розмістити між ними та вразливими біологічними системами шар захисного матеріалу. Зазвичай для цього використовують речовини з низьким атомним номером, зокрема алюміній, поліетилен або воду. Остання особливо приваблива, адже вона й без того необхідна для забезпечення життєдіяльності екіпажу під час польотів у далекий космос. Однак цей підхід має суттєвий недолік — велику масу. «Тиранія ракетного рівняння» означає, що виведення на орбіту достатньої кількості захисного матеріалу для убезпечення екіпажу від сонячних протонних подій (SPE) є надзвичайно дорогим. У деяких випадках для цього доведеться доставити із Землі десятки тонн додаткового вантажу.
Ще одним варіантом, якому останнім часом приділяється багато уваги в наукових дослідженнях, є надпровідні магніти. Вони мають очевидну перевагу — здатність створювати навколо корабля магнітний «щит» силою до 1 тесла, але їхнє використання пов’язане з величезними потенційними витратами. Вони потребують безперервного кріогенного охолодження та постійного електропостачання як для системи охолодження, так і для самих магнітів. Якщо живлення будь-якого із цих компонентів зникне, захисний екран повністю вийде з ладу, й екіпаж опиниться під повним впливом радіації.
Ще одним перспективним напрямом, який останніми роками активно досліджують, є використання надпровідних магнітів. Вони потенційно здатні створити навколо космічного корабля потужне магнітне поле, яке відхилятиме частину заряджених космічних частинок ще до того, як вони досягнуть корпусу. Втім, така технологія має серйозні технічні виклики. Надпровідні магніти потребують підтримання наднизьких температур за допомогою кріогенної системи, яка споживає енергію і значно ускладнює конструкцію корабля. Якщо система охолодження перестане працювати, надпровідність буде втрачена, магнітне поле швидко зникне, а екіпаж залишиться лише з захистом корпусу від радіації.
Постійні магніти та їхня ефективність
Щоб усунути ці проблеми, автори звернулися до компромісного варіанту — постійних магнітів. Вони добре вивчені, надзвичайно надійні та не потребують енергії для роботи. Крім того, вони важать набагато менше, ніж інші «пасивні» рішення, що обмежує вплив ракетного рівняння на їхню економічну доцільність. Дослідники розробили аналітичну модель, щоб перевірити, чи може набір постійних магнітів з неодиму, заліза та бору (NdFeB) змінити траєкторію колімованого протонного пучка (по суті, імітації сонячної протонної події).
Коротка відповідь — так, це можливо, але лише до певних рівнів енергії. Автори створили масив із 1482 постійних магнітів розміром 3 × 3 × 3 см кожен і розмістили їх усі на площі 1 м² (11 квадратних футів). Цей постійний захисний екран, вага якого не перевищувала 300 кг (661 фунт), зрештою відхилив приблизно 20 % сонячних частинок, що надходили в діапазоні енергій від 0,1 до 10 МеВ.
З функціональної точки зору, ці 20 % фактично свідчили про те, що насправді робили постійні магніти — відхиляли частинки з нижчою енергією. По суті, вони діяли як високочастотний фільтр, пропускаючи протони з вищою енергією наскрізь, а ті, що мали нижчу енергію, відштовхуючи вбік. Але це була не єдина технічна складність цієї системи.
Захист не забезпечується
Саме захисне поле має виражену спрямованість, тоді як галактичні космічні промені поширюються хаотично й надходять з усіх боків. Через це воно майже не захищає від такого випромінювання. Навіть більше, існує ймовірність, що протони, взаємодіючи з матеріалом магніту, можуть породжувати вторинне випромінювання, зокрема нейтрони або гамма-промені.
Хоча це, можливо, й не перетворить жодного з астронавтів на мутанта, але може ненавмисно збільшити локальну дозу опромінення, якщо хтось із них опиниться в невідповідному місці у невідповідний час. Крім того, неодимові магніти поступово втрачають свої магнітні властивості. У довгостроковій перспективі це призведе до ослаблення магнітного поля й відповідно знизить ефективність захисного екрана.
Попри всі недоліки, навіть часткове екранування краще, ніж його повна відсутність, і цілком можливо, що постійні магніти знайдуть своє застосування у гібридній системі, яка поєднує всі три методи зменшення радіаційного впливу. Щоб перевірити цю концепцію, команда планує провести додаткові дослідження, використовуючи вдосконалене моделювання методом Монте-Карло. Це дасть змогу з’ясувати, як система поводитиметься в реальних умовах, коли потоки заряджених частинок надходять із різних напрямків. Адже для безпечної подорожі у глибокий космос астронавтам знадобляться всі можливі засоби захисту від надмірного опромінення.
