Способ защиты от заряженных частиц космической радиации

Изобретение относится к методам и средствам защиты экипажа и оборудования от ионизирующего излучения (заряженных частиц высокой энергии) при космических полетах. Согласно изобретению вокруг космического аппарата создают защитное статическое электрическое или магнитное поле, которое локализуют в пространстве между двумя вложенными друг в друга замкнутыми несоприкасающимися поверхностями. Защищаемое пространство космического аппарата ограничено внутренней поверхностью, а внешняя поверхность изолирует аппарат и защищаемое пространство от межпланетной плазмы. Форма поверхностей может быть произвольной. При использовании электрического защитного поля на указанных поверхностях создают заряды одной величины и противоположного знака. В таком конденсаторе электрическое поле сосредоточено в пространстве между поверхностями-обкладками. В случае магнитного поля по поверхностям пропускают токи противоположного направления, а соотношение силы токов подбирают так, чтобы минимизировать значение остаточного поля снаружи. Желательная форма поверхностей в этом случае - тороидальная, для обеспечения сплошной защиты. Под действием силы Лоренца заряженные частицы будут двигаться по отклоняющим криволинейным траекториям или замкнутым орбитам между поверхностями. Возможно одновременное применение электрического и магнитного поля между поверхностями. При этом в пространство между поверхностями может быть помещен подходящий материал для поглощения заряженных частиц: например жидкий водород, вода или полиэтилен. Технический результат изобретения направлен на создание надежной, сплошной (геометрически непрерывной) защиты от космической радиации, на упрощение конструкции средств защиты и снижение энергозатрат на поддержание защитного поля. 2 ил.

 

Изобретение относится к области защиты от ионизирующего излучения при космических полетах вне действия защиты магнитного поля Земли. Главную опасность здесь для здоровья человека и работы электронных приборов представляют собой протоны и положительно заряженные ядра элементов космического излучения высокой энергии (см. Юджин Паркер «Как защитить космических путешественников». В мире науки, февраль 2007 г., с.21).

Радиационная защита с помощью поглощающего материала, например 5-метрового слоя воды даже для маленькой капсулы порядка 15 м³ весит более 600 тонн (см. там же).

Радиационная защита с помощью электрических и магнитных полей здесь является крайне привлекательной в силу экономии веса космического аппарата.

Известны способы электростатической защиты, когда космический аппарат либо заряжается положительным зарядом, либо окружается «би- или мультипольным» электростатическим полем, создаваемым несколькими зарядами одного или двух знаков (см. Metzger, Philip Т.; Lane, John Е.; Youngquist, Robert С., "Asymmetric electrostatic radiation shielding for spacecraft", 2004 IЕEE Aerospace Conference Proceedings; Big Sky, MT; FROM; Mar 6-13 2004; United States; Jeff Hetch, "Force fields may shield astronauts from radiation". New Scientist Space, June, 2005; Paul Marks, "Forget rockets - go to Mars in a cosmic fruit bowl". New Scientist Space, October, 2007).

Недостатком всех этих способов является активное взаимодействие с плазмой межпланетного пространства, которое приводит к появлению мощного электрического разряда. Это ведет к нейтрализации заряда защиты и усиленной бомбардировки устройств электронами и ионами межпланетной плазмы, что генерирует вредное вторичное рентгеновское и гамма-излучение. Кроме того, не скомпенсированный заряд предлагаемых систем приводит к усиленной абсорбции заряженных частиц из плазмы окружающего пространства, что крайне нежелательно по вышеуказанным причинам. Для поддержания заряда защиты здесь приходится также тратить много энергии. В «би- или мультипольных» системах присутствуют, кроме того, бреши в защитном поле (участки с пониженной и нулевой напряженностью поля), обусловленные геометрией расположения защитных зарядов.

Предложенные ранее способы магнитной защиты тоже имеют недостатки. Это сильное остаточное магнитное поле внутри космического аппарата и наличие брешей в защите, т.е. участков, где напряженность магнитного поля равна нулю (см. Юджин Паркер «Как защитить космических путешественников». В мире науки, февраль 2007 г., с.21). Кроме того, магнитное поле вокруг космического аппарата собирает из окружающего пространства потоки захваченных заряженных частиц, что тоже не желательно по двум причинам. Первая заключается в том, что захваченные частицы, двигаясь по ларморовским орбитам, ослабляют магнитное поле защиты по закону Лоренца. Вторая связана с тем, что не локализованное в пространстве поле собирает за время полета «радиоактивный мусор» в виде захваченных заряженных частиц. Они могут быть опасны для работы космонавтов около космического аппарата или при отключении поля. В последнем случае усиленной бомбардировке подвергнется сам космический аппарат. Наиболее близким по своим признакам к предложенному способу является способ магнитной защиты, где остаточное поле вне и внутри системы снижается до минимума использованием системы инвертированных коаксиальных катушек индуктивности (см. Nancy Atkinson, "Magnetic shielding for spacecraft", The space review, January 24, 2005). Но и здесь вдоль оси катушек защита отсутствует. Кроме того, система двух катушек является сложной и занимает дополнительный объем космического аппарата.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании геометрически непрерывной, сплошной полевой защиты без брешей, одновременно исключив взаимодействие защитного поля с межпланетной плазмой и его проникновение внутрь космического аппарата.

Решение поставленной задачи достигается тем, что защитное статическое электрическое или магнитное поля локализованы в пространстве между двумя вложенными друг в друга замкнутыми, геометрически непрерывными, несоприкасающимися поверхностями, защищаемое пространство космического аппарата ограничено внутренней поверхностью.

В случае электрического поля эффект защиты достигается тем, что на противостоящих поверхностях заряды имеют одинаковое значение и противоположны по знаку. Форма поверхностей 1, 2, может быть произвольной. Рассмотрим случай простых концентрических сфер (Фиг.1). В таком конденсаторе электрическое поле сконцентрировано в пространстве между обкладками. Вне этого пространства поле равно нулю. Для дополнительной защиты экипажа от внешнего электрического поля можно использовать так называемую «клетку Фарадея».

Заряженная частица тормозится электрическим полем между обкладками, если ее заряд совпадает по знаку с зарядом внутренней поверхности. При этом на торможение и отражение частицы энергия не тратится. Для торможения протонов «галактического излучения» с энергией 2 ГэВ внутренняя сфера заряжена положительно, внешняя отрицательно, разность потенциалов между ними должна быть соответственно 2 ГВ. Она может быть достигнута эмиссией пучка электронов с соответствующей энергией от внутренней сферы с помощью достаточно компактного лазерно-плазменного ускорителя электронов (см. Чандрашекар Джоши, «Плазменные ускорители», В мире науки, май 2006). Остатки межпланетной плазмы между сферами под действием электрического поля будут сепарированы, положительно заряженные ионы вытеснены к внешней оболочке и в конце концов выброшены за пределы устройства со субсветовой скоростью через нее. Соответственно, межпланетная плазма не притягивается устройством и не может проникнуть через внешнюю оболочку ввиду крайне ее малой энергии, менее 1 кэВ (см. Н.Г. Бочкарев, «Магнитные поля в космосе», М.: Наука, 1985 г., с.82). Этим обеспечивается необходимый вакуум для исключения ионного разряда между сферами. Для того чтобы исключить пробой на поверхности полостей, их покрывают слоем изолятора, например полимера или плавленного кварца. Простой расчет показывает, что при радиусе внутренней сферы 1-10 м (внутренний объем около 500 м³), а внешней 2-100 м, в таком сферическом конденсаторе напряженность электрического поля составляет от 1·10⁶ до 4·10⁸ В/м при разности потенциалов 2 ГВ. Это меньше, чем электрическая прочность плавленого кварца 6·10⁸ В/м (см. И.К. Кикоин, «Таблицы физических величин», М.: Атомиздат, 1976 г., с.321). Принимая минимально возможную технически толщину поверхностей 0,01 мм при средней удельной плотности материала поверхности 2-3 г/см³, получаем вес устройства около 1000 кг. Электростатическая сила притяжения сфер друг к другу в описанном примере составляет около 4·10⁶ Н, что означает сжимающее давление для внешней сферы около 3400 Па. Компенсация сжатия возможна с помощью системы силовых штанг между сферами или распрямляющей пневматической системы трубок со сжатым газом, укрепленной на внешней оболочке.

При этом вес корабля внутри внутренней сферы может составлять более 100 т. Если половину внешней поверхности будет покрывать прозрачный слой металла толщиной около 100 нм, или разреженная металлическая сетка, или набор металлических элементов, покрытая изолятором, то другую половину внешней поверхности можно использовать в качестве зеркала для концентрации солнечной энергии. Это позволяет совмещать в данном случае источник энергии с предлагаемым устройством.

Защита от потоков электронов в межпланетном пространстве задача намного более простая, так как в основном их энергия менее 100 Кэв (см. Н.Г. Бочкарев, «Магнитные поля в космосе», М.: Наука, 1985 г., с.76). Они легко поглощаются, например, алюминиевой фольгой толщиной менее 0,01 мм (см. И.К. Кикоин, «Таблицы физических величин», М.: Атомиздат, 1976 г., с.957). При необходимости можно применить дополнительную систему электростатической защиты. Внешняя тормозит и отражает электроны, незначительно ускоряя протоны высокой энергии, внутренняя тормозит и отражает протоны.

В случае магнитного поля эффект защиты достигается тем, что на противостоящих поверхностях электрические токи противоположны по направлению. Поэтому магнитное поле локализуется внутри устройства между поверхностями и ослабляется снаружи. Магнитные «силовые линии» замыкаются сами на себя. Поэтому чтобы обеспечить сплошную, замкнутую защиту, желательна тороидальная форма поверхностей (Фиг.2, тороид показан в разрезе).

При подходящем соотношении силы токов можно добиться практически полной минимизации магнитного поля внутри и вне космического аппарата. Для облегчения конструкции при создании магнитного поля необходимо применение сверхпроводников. Заряженная частица, попадая в пространство, где локализовано магнитное поле, под действием силы Лоренца начинает двигаться по искривленной, отклоняющей траектории. При этом энергия устройства не тратится, есть только энергетические затраты на охлаждение системы, которые в космическом вакууме минимизированы. Защита будет эффективной, если зазор между тороидами будет больше ларморовского радиуса. Технически реально достижимое значение напряженности поля 1 Т. Для протонов с энергией 100 МэВ (они возникают во время солнечных вспышек) ларморовский радиус около 1 м, а для электронов с энергией 2 ГэВ он около 0,2 м. Предположим средний радиус 3 тороидального устройства 10 м, полоидальный диаметр внутреннего тороида 4-3 м, а внешнего 5-5 м. Внутренний объем составит около 440 м³. Поверхности тороидов покрыты пленкой из сверхпроводника. Если принять максимально возможное значение плотности сверхпроводящего тока для существующих материалов 10⁴ А/мм² (например, станнид или германнид ниобия, плотность около 10 г/см³), то для создания указанного значения поля общее сечение сверхпроводящего провода составит 10³ мм² при его весе примерно 600 кг.

Сила магнитного отталкивания между тороидами в описанном примере составит примерно 6·10⁸ Н. Она может быть компенсирована системой углеродкомпозитных или волоконно-кварцевых тросов, соединяющих внутреннюю и внешнюю оболочки устройства. Принимая в расчет максимальную механическая прочность волокон до 6·10³ Н/мм, получаем вес тросовой системы порядка 200 кг. То есть без учета системы охлаждения вес такого устройства составит порядка 800 кг.

Для дополнительной защиты экипажа от остатков магнитного поля можно использовать так называемый эффект Мейсснера-Оксенфельда.

Для усиления эффекта защиты возможно одновременное применение электрического и магнитного поля между поверхностями, при этом возможна компенсация электростатического притяжения магнитным отталкиванием. Кроме того, в пространство между поверхностями устройства дополнительно может быть помещен подходящий материал для поглощения заряженных частиц: например, жидкий водород, вода или полиэтилен.

Предложенный способ защиты от ионизирующего излучения может быть использован для обеспечения надежной радиационной безопасности при полетах в межпланетном пространстве. Преимущество способа заключается в том, что минимизируется вредное влияние полей на приборы и экипаж внутри космического корабля, нежелательное взаимодействие полей с межпланетной плазмой и космическими лучами вне корабля, и одновременно реализуется геометрически непрерывная, сплошная защита от заряженных частиц радиации. Особенность предлагаемого устройства - это техническая простота конструкции, состоящего из простых в техническом исполнении поверхностей. Также в силу отсутствия взаимодействия с межпланетной плазмой энергетические затраты на поддержание защитного поля сводятся к минимуму.

Способ защиты от заряженных частиц космической радиации, заключающийся в том, что создают защитное статическое электрическое или магнитное поле, отличающийся тем, что поля локализованы в пространстве между двумя вложенными друг в друга замкнутыми, геометрически непрерывными несоприкасающимися поверхностями, причем защищаемое пространство космического аппарата ограничено внутренней поверхностью, а внешняя поверхность изолирует аппарат и защитное пространство от межпланетной плазмы.