12.11.2021, arxiv.org
Рут А. Бэмфорд, Барри Дж. Келлетт, Джеймс Л. Грин, Чуанфэй Донг, Владимир Айрапетян, Боб Бингхэм

Для установления долгосрочного присутствия человека на Марсе необходимо серьезно подумать о терраформировании планеты. Одним из основных требований для такого терраформирования является защита Марса планетарным магнитным полем, которое в настоящее время отсутствует.

В этой статье группа ученых впервые всесторонне исследует практические и инженерные проблемы, влияющие на возможность создания искусственного магнитного поля, способного охватить весь Марс. Это включает в себя проблемы, которые определяют конструкцию и место расположения генератора магнитного поля и возможные стратегии строительства.

Цель статьи не в том, чтобы обосновать необходимость планетарной магнитосферы, а в том, чтобы оценить практические аспекты, чтобы иметь возможность взвесить плюсы и минусы различных инженерных подходов.

Предлагаемое оптимальное решение является совершенно новым, хотя и вдохновлено естественной ситуацией и одним из методов создания термоядерной плазмы. Решение с наименьшей мощностью, конструкцией и массой заключается в создании искусственного кольца заряженных частиц (аналогичного по форме радиационному поясу) вокруг планеты, которое, возможно, будет образовано путем выброса вещества с одной из лун Марса (аналогично тому, как образуется плазменный тор Ио, спутника Юпитера), но с использованием электромагнитных и плазменных волн для создания чистого тока в кольце (кольцах), что приведет к созданию общепланетарного магнитного поля.

С наступлением новой эры освоения космоса настало время задуматься об этих новых и смелых концепциях будущего и начать заполнять пробелы в стратегических знаниях. Кроме того, рассмотренные здесь принципы также применимы к объектам меньшего масштаба, таким как пилотируемые космические корабли, космические станции или лунные базы, которые выиграли бы от создания защитных мини-магнитосфер.

Если Марс когда-нибудь станет долговременной обителью человеческой жизни, ему, возможно, потребуется защита искусственно созданной магнитной магнитосферы планетарных размеров. Магнитосфера Земли помогает защитить планету от потенциального стерилизующего воздействия космических лучей и сохранить атмосферу от значительного разрушения во время больших солнечных супербурь, когда они проходят над планетой. Здесь мы привели несколько простых расчетов, исследующих основы физики и технологии того, что практически потребуется для создания искусственного магнитного поля размером с планету, подобной Земле. Очевидно, что необходимые ресурсы будут огромными. Целью данного исследования не является изучение эффективности магнитосферы на основе магнитного поля на Марсе или обоснование необходимости создания магнитного щита. Скорее, цель состоит в том, чтобы количественно исследовать практические способы, которыми это может быть сделано, если человечество решит это сделать, и сделать некоторую оценку ресурсов, которые будут задействованы. Это делается впервые в научном журнале. Это намеренно сделано с точностью до одной значащей цифры, поскольку для обоснования более точных цифр потребовались бы отдельные статьи для подробного описания уровня развития технологий. Тем не менее, эта первая попытка позволяет сравнить подходы и исследовать идеи.

Ни одно отдельное решение не обходится без серьезных технических проблем, многие из которых выходят за рамки того, что можно описать здесь. Основная проблема заключается не в необходимой интенсивности магнитного поля, а в требуемом его размере. Данные магнитосферы Земли свидетельствуют о том, что величина напряженности магнитного поля для сдерживания солнечного ветра составляет около ∼100nT (нанотесл). Однако для защиты всего Марса это поле должно быть непрерывным на абсолютной минимальной площади ∼ 10⁹ км² (площадь поверхности Марса при условии 100-километровой атмосферы). Для того чтобы такая магнитосфера сохранялась во время взаимодействия с солнечным ветром при любых условиях, она должна быть намного больше.

Из рассмотренных здесь вариантов маловероятно, что перезапуск ядра Марса когда-либо станет жизнеспособным вариантом.

Проблема заключается не только в минимальном количестве 10¹¹ водородных бомб мощностью 1 мегатонна, которые необходимо распределить по железному ядру, чтобы расплавить его, но и в неуверенности в том, что динамо даже перезапустится, если это будет сделано, или как долго будет продолжаться любая циркуляция, поскольку в настоящее время неизвестно в первую очередь, почему динамо Марса остановилось – если предположить, что у Марса когда-то было естественное магнитное поле, исходящее из его ядра, как у Земли.

Соленоидные петли являются следующим вариантом, и существует множество потенциальных мест и технологий. С точки зрения расположения они варьируются от поверхности планеты до стабильных орбит и совпадения с лунами Марса. При использовании искусственной системы можно управлять величиной магнитного поля в источнике и размером создающей его структуры. Мы показали преимущество, которое дает петля соленоида большого радиуса (R₀) не только в плане более низких требований к магнитному полю на поверхности катушки (что было бы безопаснее для работы и жизни), но и в том, что скорость уменьшения магнитного поля с расстоянием меньше на R₀³, что делает ее гораздо более эффективной для покрытия большей площади, чем петля малого радиуса с более высоким полем. Однако петля тока большого диаметра требует создания в космосе более крупной физической структуры.

Структуры, генерирующие магнитное поле, могут быть изготовлены из сверхпроводящих материалов или проникающих магнитов, оба из которых минимизируют рабочую мощность, но имеют недостаток в том, что они тяжелые и изготовлены из редких минералов. В качестве альтернативы, углеродные нанотрубки предлагают потенциально более легкую проводящую структуру, но они хрупкие и имеют конечное сопротивление, требующее поддержания непрерывной мощности и, следовательно, влекущее потери мощности для его преодоления.

Мы показали, что требуемый ток составляет ∼0,2-0,5 GAmps в одной или многих соленоидных петлях. Хотя потребляемая мощность зависит от используемого материала, ее можно оценить в пределах 0,1-100 ГВт, что составляет от менее одной до 50 типичных электростанций мощностью 2 ГВт. Хотя это и не тривиально, но и не невообразимо много, особенно если управляемый ядерный синтез будет успешно развиваться как эффективный источник энергии в будущем.

Один из последних подходов к снижению нагрузки на массу заключается в использовании плазменного тока, а не какого-либо твердого проводника. В этом сценарии ток проходит через вакуум пространства. Для этого заряженные частицы, составляющие ток, должны быть ускорены до скоростей, при которых взаимодействие с окружающей плазменной средой будет недостаточным для разрушения петли тока. Превышение предела ускорения означает, что частицы не будут подвержены “подхвату” солнечными бурями. После установления магнитного поля плазменный канал тока будет находиться в относительной защите собственной магнитосферы. Наблюдения за планетами показывают, что даже плазменные торы вокруг планет (например, радиационные пояса), не управляемые током и не убегающие, не полностью разрушаются под воздействием частиц солнечного ветра, хотя потери неизбежны. Несомненно, было бы необходимо направлять и пополнять плазменный ток с помощью ряда выстроенных в линию космических станций. Однако, в зависимости от размера и расположения, такой пучок релятивистских частиц может представлять потенциальную радиационную опасность для транзитных космических аппаратов. Поэтому альтернативой может стать “массовая загрузка” плазменного контура путем ускорения частиц до более низкой неопасной скорости, но с подавляющей, гораздо большей плотностью. Это можно сделать путем испарения вещества с Фобоса или Деймоса, его ионизации и использования электромагнитных токовых приводов для ускорения образовавшихся заряженных частиц. Наиболее близким к этому природным явлением без использования токового привода является плазменный тор, созданный на орбите Ио вокруг Юпитера. Пример Ио показывает, что вокруг планеты может сформироваться и сохраниться плазменная петля с высоким Z [???] (хотя в случае Ио огромное магнитное поле Юпитера и другие факторы способствуют удержанию). Мы показали, что для Марса необходимая масса не приведет к существенной эрозии лун при приблизительно ∼15 кг на орбиту на петлю. Использование ионов с более высоким Z для формирования тора будет способствовать удержанию.

В заключение следует отметить, что, как и предполагалось, ресурсы, необходимые для создания магнитного поля планетарного размера, нетривиальны, и предстоит провести еще много исследований. Здесь представлены некоторые уникальные решения для подходов, необходимых для создания искусственного магнитного поля планетарного размера.

Несмотря на то, что представленные здесь идеи относятся к масштабу планеты, такой как Марс, принципы в равной степени применимы и к меньшим по масштабу ненамагниченным объектам, таким как пилотируемые космические корабли, космические станции или лунные базы для создания защитных “мини-магнитосфер”.

Сейчас, когда начинается новая эра освоения космоса, самое время задуматься об этих новых и смелых концепциях будущего. Как было предложено в недавней Белой книге десятилетнего планетарного обзора NASA «Interdisciplinary Research in Terraforming Mars: State of the Profession and Programmatics», необходимо устранить стратегические пробелы в знаниях и начать развивать эти и другие концепции, чтобы работать над решением, которое сделает колонизацию Марса людьми реальностью.