Магніт на столі довів реальність променевого щита для зорельотів
Ніколи за час польотів у космос, за винятком порівняно коротких місячних експедицій, людина не виявлялася досить далеко від Землі, щоб вийти з-під впливу її магнітосфери, що прикриває нас від сонячних спалахів. А для рейсів на Марс чи далі інженерам доведеться вирішувати завдання захисту екіпажу від згубної радіації. Можливо, виходом виявиться «магнітоплазмовий щит», прообраз якого нещодавно зазнали вчені.
Астронавтам із місій Apollo просто пощастило. Всі експедиції припали на ті дні, коли сонячний вітер був не дуже сильний. Хоча в ті роки траплялися спалахи, в яких потік заряджених частинок від Сонця зростав настільки, що міг би поставити під загрозу не тільки здоров'я, а й життя підкорювачів космосу.
З Міжнародною космічною станцією справа простіше. По-перше, значною мірою її захищає земна магнітосфера. По-друге, нехай і вкрай розріджена атмосфера планети, яка все ще присутня на висоті польоту МКС (приблизно 400 км), теж сприяє захисту. По-третє, космонавти і астронавти мають можливість на час спалахів ховатися у відсіку з більш товстою ізоляцією.
(І все одно британці пропонують пристикувати до МКС додатковий притулок з більш потужними протирадіаційними стінками.)
Основна небезпека сонячного вітру походить від високоенергетичних (10-100 мегаелектрон-вольт, а в окремих випадках до 10 10 еВ) частинок, 90% яких складають протони, ще 9% - альфа-частинки, а решта в основному електрони, хоча трапляються також самі різноманітні ядра важких елементів.
Потік цей вкрай розріджений, але зате мчить зі швидкістю від 300 до (в окремі моменти часу) 1200 км/с, що дозволяє частинкам легко проникати через стінки корабля, встромлятися в тіла астронавтів.ушкоджуючи клітини та, що особливо небезпечно, ДНК.
І головне — це плазмова течія непостійна, а залежить від погоди на Сонці. Тому в тривалих міжпланетних польотах (добиратися до Марса доведеться близько вісімнадцяти місяців) потрапити у вдале вікно, як у випадку з Аполлонами, — не вийде. Нарощувати шари біозахисту? Це дуже помітно збільшить масу корабля, яку інженери намагаються зменшити всіма можливими способами.
А може скористатися «патентом природи»? Коли земна магнітосфера так добре захищає нас від сонячних спалахів, чи можна її відтворити в маленькому масштабі на борту космічного корабля?
Ідеї цієї самої по собі багато років. Але не все з нею так просто. Ще в 1960-х роках вчені вважали, що тільки пристойних розмірів (більше 100 кілометрів у поперечнику) магнітний міхур міг би виявитися досить ефективним, щоб вести важкі заряджені частинки у бік від корабля.
Для створення такого поля на пілотований апарат довелося б ставити настільки великі і важкі котушки індуктивності і настільки потужні джерела електроенергії (не цілком зрозуміло - які), що вся витівка втрачала сенс - простіше було б банально наростити стінки.
Тож від магнітного захисту відмовилися. Але не назавжди. Нині з новими знаннями та новими технічними можливостями до неї повернулися знову.
Міжнародна група вчених на чолі з Рут Бамфорд (Ruth Bamford) з британської лабораторії Резерфорда та Еплтона (Rutherford Appleton Laboratory - RAL) розробила проект "Міні-магнітосфери" (Mini Magnetosphere), яка могла б закрити корабель від космічних.
Дослідники вважали, що чистий магнітний бар'єр справді не впорався б із завданням (як і чистий електростатичний захист або «голий» плазмовий бар'єр),але міні-магнітосфера, подібна до природної, — цілком спрацювала б.
Це має бути не просто магнітне поле, але поєднання поля з плазмовим бар'єром, контрольованим цим самим полем. Такий бар'єр утворюється з самих частинок сонячного вітру, що набігає на корабель, і цей же бар'єр взаємодіє з рештою потоку, а також з магнітним полем Сонця (дуже слабким, але присутнім навіть на відстані, що розділяє Землю (або Марс) і наше денне світило ).
Попередні дослідження зважали на складну взаємодію сил у динамічній квазінейтральній плазмі, що пронизується магнітним полем, — стверджують нинішні експериментатори. Скрізь, де є плазма з різними за щільністю та температурою областями, є й власні її локальні поля, пояснюють вчені.
Прогрес у галузі токамаків – прообразів реакторів синтезу, де взаємодії плазми та поля приділяється величезна увага, – дозволив дослідникам із Британії, Португалії та Швеції по-новому поглянути на проблему магнітного щита для космічних кораблів. Він фактично повинен включати всі три активні захисту, розглянуті раніше (плазмову, магнітне і електричне поля), причому саме взаємодія всіх трьох призводить до бажаного результату.
Минулого року учасники проекту провели комп'ютерне моделювання, яке показало, що магнітний міхур з діаметром близько сотні метрів (всього, порівняйте зі 100 км у попередніх роботах) міг би закрити екіпаж від дії сонячної радіації. Цей висновок було підтверджено у лабораторії, де команда Mini Magnetosphere побудувала мініатюрний прототип такого захисту.
Тут, до речі, треба сказати, що хоч і галактичні космічні промені теж здатні завдати шкоди здоров'ю екіпажу, головну загрозу мандрівникам несуть все ж таки сонячні.космічні промені, інтенсивність яких різко зростає під час спалахів.
Для досвіду вчені скористалися апаратом LinX, раніше задіяним в експериментах щодо вивчення взаємодії плазми з низкою деталей токамаків. В основі установки — вакуумна труба діаметром 24 сантиметри та довжиною 1,5 метра.
У ній є експериментальна камера, в яку дослідники поміщали постійний або електричний магніт, що імітує захист корабля, а вздовж труби спеціальний насос направляв надзвуковий (швидкість більше 3 М) потік плазми (H + H2 + і H3 + в пропорції 90%, 5% та 5%).
Спеціальні котушки навколо установки генерували всередині полі (0,07 тесла), що імітує міжпланетне магнітне поле. Нарешті, у ролі генераторів поля корабля виступали по черзі постійний циліндричний магніт (на 0,2 тесла) та імпульсний електромагніт (з напруженістю поля на полюсах понад 2 тесла).
Магніти кріпилися за допомогою важелів, що дозволяли зрушувати їх щодо потоку плазми у різних напрямках.
Спочатку у дослідників не було впевненості — а чи це все-таки працюватиме. Занадто багато попередників переконували всіх: діяти щит проти таких високоенергетичних частинок може лише в планетарному масштабі, або близько того. Однак, коли установку включили — вона одразу запрацювала, як і було задумано.
Більше того, крихітна штучна магнітосфера показала здатність до саморегуляції, подібної до такої у магнітосфери Землі. «Коли вона отримує сильний поштовх від плазми, міхур стає меншим. Відео показує, що в міру підвищення тиску „сонячного вітру“ щит стає меншим, але при цьому яскравішим», — розповідає Рут Бамфорд.
Експериментатори ретельно знімали параметри мініатюрної магнітосфери всередині апарату, зокремазміна щільності іонів у всіх площинах та напрямках.
Бамфорд заявила: «Перші експерименти показали, що у такий спосіб можна було б захистити астронавтів від смертоносної космічної погоди».
Отже, невеликі штучні дірки у сонячному вітрі – це все необхідне, щоб люди могли безпечно подорожувати до наших найближчих сусідів (Місяць і Марс). Але до появи повномасштабних магнітних щитів, придатних для встановлення на кораблі, за прогнозом Бамфорда, пройде ще 10-15 років.
За цей час дослідники мають зрозуміти, як краще використовувати такий захист. Адже існує ще багато невирішених питань: якою буде вага кінцевої установки, як здійснюватиметься контроль за її роботою, якою виявиться її надійність.
До того ж існує вибір між варіантом монтажу магнітоплазмового захисту на самому кораблі або на цілому сузір'ї мініатюрних станцій супроводу, що розкривають парасольку над пілотованим апаратом, коли це необхідно (та й на самому планетольоті подібний захист може працювати тимчасово, включаючись при появі загрози, то є після спалахів на Сонці).
"Я не думаю, що установка скоротиться аж до всього лише "магніту для холодильника", закріпленого на зовнішній поверхні космічного апарату", - сміється Рут. Але, з іншого боку, пригадаємо, що раніше вчені вважали, ніби генератор магнітного щита для міжпланетного корабля виявиться за розміром і масою чи не більше самого зорельота, що захищається.