Vela magnética - Magnetic sail

Uma vela magnética ou vela magnética é um método proposto de propulsão de espaçonave que usaria um campo magnético estático para desviar partículas carregadas irradiadas pelo Sol como um vento de plasma e, assim, dar impulso para acelerar a espaçonave. Uma vela magnética também pode ser lançada diretamente contra as magnetosferas planetárias e solares .

História

A vela magnética foi proposta por Dana Andrews e Robert Zubrin trabalhando em colaboração em 1988. Naquela época, Andrews estava trabalhando em um conceito para usar uma colher magnética para reunir íons para fornecer propelente para uma espaçonave de íon elétrico nuclear , permitindo que a nave operar da mesma maneira de um ramjet de Bussard , mas sem a necessidade de uma unidade de propulsão de fusão próton-próton . Ele pediu a Zubrin para ajudá-lo a calcular o arrasto que a concha magnética criaria contra o meio interplanetário. Zubrin concordou, mas descobriu que o arrasto criado pela pá seria muito maior do que o impulso criado pelo íon. Ele, portanto, propôs que o componente impulsionador de íons do sistema fosse descartado e o dispositivo simplesmente fosse usado como uma vela. Andrews concordou e a vela mágica nasceu. Os dois então elaboraram sua análise da vela de magsail para a propulsão interplanetária, interestelar e orbital planetária em uma série de artigos publicados de 1988 a 1990.

Princípios de operação e design

A vela magnética opera criando arrasto contra o meio local (campo magnético do planeta, vento solar ou ventos interestelares), permitindo assim que uma espaçonave acelerada a velocidades muito altas por outros meios, como um foguete de fusão ou vela de luz empurrada por laser, diminua a velocidade - mesmo de velocidades relativísticas - sem exigir o uso de propelente a bordo. Ele pode, portanto, reduzir a propulsão delta-V necessária para uma missão interestelar por um fator de dois. Essa capacidade é a característica mais incomum da vela magnética e talvez a mais significativa a longo prazo.

Em designs típicos de velas magnéticas, o campo magnético é gerado por um laço de fio supercondutor . Como os loops de condutores portadores de corrente tendem a ser forçados para fora em direção a uma forma circular por seu próprio campo magnético, a vela poderia ser implantada simplesmente desenrolando o condutor e aplicando uma corrente através dele.

Exemplo de vento solar

O vento solar é um fluxo contínuo de plasma que flui para fora do Sol: próximo à órbita da Terra, ele contém vários milhões de prótons e elétrons por metro cúbico e flui a 400 a 600 km / s (250 a 370 mi / s). A vela magnética introduz um campo magnético neste fluxo de plasma que pode desviar as partículas de sua trajetória original: o momento das partículas é então transferido para a vela, levando a um impulso na vela. Uma vantagem das velas magnéticas ou solares sobre os propulsores de reação (química ou iônica) é que nenhuma massa de reação é exaurida ou carregada na nave.

Para uma vela no vento solar a uma UA de distância do Sol, a intensidade do campo necessária para resistir à pressão dinâmica do vento solar é de 50 nT. O projeto de vela magnética proposto por Zubrin criaria uma bolha de espaço de 100 km de diâmetro (62 mi), onde íons do vento solar são substancialmente desviados usando um arco de 50 km (31 mi) de raio. A massa mínima de bobina tal é limitada por limitações resistência do material em cerca de 40 toneladas (44 toneladas) e geraria 70 N (16 lb _f ) de impulso, dando uma relação de massa / pressão de 600 kg / N. Se operado dentro do sistema solar, um fio supercondutor de alta temperatura seria necessário para tornar a vela magnética prática. Se operados no espaço interestelar, supercondutores convencionais seriam adequados.

A operação de velas magnéticas usando vento de plasma é análoga à operação de velas solares usando a pressão de radiação de fótons emitida pelo sol. Embora as partículas do vento solar tenham massa de repouso e os fótons não, a luz solar tem milhares de vezes mais momentum do que o vento solar. Portanto, uma vela magnética deve desviar uma área proporcionalmente maior do vento solar do que uma vela solar comparável para gerar a mesma quantidade de empuxo. No entanto, não precisa ser tão massivo quanto uma vela solar porque o vento solar é desviado por um campo magnético em vez de uma grande vela física. Os materiais convencionais para velas solares pesam cerca de 7 g / m ² (0,0014 lb / pés quadrados), dando um impulso de 0,01 mPa (1,5 × 10 ^-9  psi) a 1 AU (150.000.000 km; 93.000.000 mi). Isso dá uma razão massa / empuxo de pelo menos 700 kg / N, semelhante a uma vela magnética, negligenciando outros componentes estruturais.

As velas solares e magnéticas têm um impulso que diminui conforme o quadrado da distância do sol.

Quando perto de um planeta com uma magnetosfera forte , como a Terra ou um gigante gasoso , a vela magnética pode gerar mais impulso ao interagir com a magnetosfera em vez do vento solar e, portanto, pode ser mais eficiente.

Propulsão de plasma minimagnetosférico (M2P2)

Para reduzir o tamanho e o peso do ímã da vela magnética, pode ser possível inflar o campo magnético usando um plasma da mesma forma que o plasma ao redor da Terra estende o campo magnético da Terra na magnetosfera . Nessa abordagem, chamada de propulsão por plasma minimagnetosférico (M2P2), as correntes que passam pelo plasma aumentam e substituem parcialmente as correntes na bobina. Espera-se que isso seja especialmente útil longe do Sol, onde o aumento do tamanho efetivo de uma vela M2P2 compensa a pressão dinâmica reduzida do vento solar. O projeto original da NASA propõe uma espaçonave contendo um eletroímã em forma de lata no qual um plasma é injetado. A pressão do plasma estende o campo magnético e infla uma bolha de plasma ao redor da espaçonave. O plasma então gera uma espécie de magnetosfera miniaturizada ao redor da espaçonave, análoga à magnetosfera que envolve a Terra. Os prótons e elétrons que constituem o vento solar são desviados por esta magnetosfera e a reação acelera a espaçonave. O impulso do dispositivo M2P2 seria dirigível até certo ponto, potencialmente permitindo que a espaçonave 'virasse' no vento solar e permitindo mudanças eficientes de órbita.

No caso do sistema (M2P2), a espaçonave libera gás para criar o plasma necessário para manter a bolha de plasma com vazamento. O sistema M2P2, portanto, tem um impulso específico eficaz que é a quantidade de gás consumido por newton de segundo de impulso. Esta é uma figura de mérito normalmente usada para foguetes, onde o combustível é na verdade a massa de reação. Robert Winglee, que originalmente propôs a técnica M2P2, calcula um impulso específico de 200 kN · s / kg (cerca de 50 vezes melhor do que o motor principal do ônibus espacial). Esses cálculos sugerem que o sistema requer cerca de um quilowatt de potência por newton de empuxo, consideravelmente menor do que os propulsores elétricos, e que o sistema gera o mesmo empuxo em qualquer lugar dentro da heliopausa porque a vela se espalha automaticamente conforme o vento solar se torna menos denso . No entanto, esta técnica é menos compreendida do que a vela magnética mais simples. Há uma controvérsia sobre o quão grande e pesada a bobina magnética teria que ser e se o impulso do vento solar pode ser transferido de forma eficiente para a espaçonave.

A expansão do campo magnético usando plasma injetado foi testada com sucesso em uma grande câmara de vácuo na Terra , mas o desenvolvimento do empuxo não fez parte do experimento. Uma variante movida a feixe , MagBeam , também está em desenvolvimento.

Modos de operação

Uma vela magnética em um vento de partículas carregadas. A vela gera um campo magnético, representado por setas vermelhas, que desvia as partículas para a esquerda. A força da vela é oposta.

Em um vento de plasma

Ao operar longe das magnetosferas planetárias, uma vela magnética forçaria os prótons carregados positivamente do vento solar a se curvarem à medida que passassem pelo campo magnético. A mudança de momento dos prótons seria empurrada contra o campo magnético e, portanto, contra a bobina de campo.

Assim como as velas solares, as velas magnéticas podem "virar". Se uma vela magnética se orienta em um ângulo em relação ao vento solar, as partículas carregadas são desviadas preferencialmente para um lado e a vela magnética é empurrada lateralmente. Isso significa que as velas magnéticas podem manobrar para a maioria das órbitas.

Neste modo, a quantidade de empuxo gerado por uma vela magnética cai com o quadrado de sua distância do Sol conforme a densidade do fluxo de partículas carregadas reduz. O clima solar também tem grandes efeitos na vela. É possível que a erupção de plasma de uma forte explosão solar possa danificar uma vela eficiente e frágil.

Um equívoco comum é que uma vela magnética não pode exceder a velocidade do plasma que a empurra. À medida que a velocidade de uma vela magnética aumenta, sua aceleração se torna mais dependente de sua capacidade de navegar com eficiência. Em altas velocidades, a direção do vento de plasma parecerá vir cada vez mais da frente da espaçonave. As naves espaciais a vela avançadas podem implantar bobinas de campo como "quilhas", de modo que a espaçonave poderia usar a diferença de vetor entre o campo magnético solar e o vento solar, da mesma forma que os iates à vela fazem.

Dentro de uma magnetosfera planetária

Uma vela magnética em um campo magnético espacialmente variável. Como o campo externo vertical B _ext é mais forte em um lado do que no outro, a força para a esquerda no lado esquerdo do anel é menor do que a força para a direita no lado direito do anel, e a força resultante na vela é para o direito.

Dentro de uma magnetosfera planetária, uma vela magnética pode empurrar contra o campo magnético de um planeta, especialmente em uma órbita que passa sobre os pólos magnéticos do planeta, de maneira semelhante a uma corda eletrodinâmica .

A gama de manobras disponíveis para uma vela magnética dentro de uma magnetosfera planetária é mais limitada do que em um vento de plasma. Assim como acontece com os ímãs de pequena escala mais familiares usados ​​na Terra, uma vela magnética só pode ser atraída para os pólos da magnetosfera ou repelida deles, dependendo de sua orientação.

Quando o campo da vela magnética é orientado na direção oposta à da magnetosfera, ela experimenta uma força para dentro e em direção ao pólo mais próximo, e quando está orientada na mesma direção da magnetosfera, ela experimenta o efeito oposto. Uma vela magnética orientada na mesma direção da magnetosfera não é estável e terá que evitar ser virada para a orientação oposta por algum outro meio.

O impulso que uma vela magnética fornece dentro da magnetosfera diminui com a quarta potência de sua distância do dínamo magnético interno do planeta.

Essa capacidade de manobra limitada ainda é bastante útil. Variando a força do campo magnético da vela ao longo de sua órbita, uma vela magnética pode dar a si mesma um " chute perigeu " aumentando a altitude do apogeu de sua órbita .

A repetição desse processo a cada órbita pode levar o apogeu da vela magnética cada vez mais alto, até que a vela magnética seja capaz de deixar a magnetosfera planetária e pegar o vento solar. O mesmo processo ao contrário pode ser usado para diminuir ou circular o apogeu da órbita de uma vela mágica quando ela chega a um planeta de destino.

Em teoria, é possível que uma vela magnética seja lançada diretamente da superfície de um planeta próximo a um de seus pólos magnéticos, repelindo-se do campo magnético do planeta. No entanto, isso requer que a vela magnética seja mantida em sua orientação "instável". Um lançamento da Terra requer supercondutores com 80 vezes a densidade de corrente dos supercondutores de alta temperatura mais conhecidos.

Viagem interestelar

O espaço interestelar contém quantidades muito pequenas de hidrogênio. Uma vela em movimento rápido ionizaria esse hidrogênio, acelerando os elétrons em uma direção e os prótons de carga oposta na outra. A energia para a ionização e a radiação do ciclotron viria da energia cinética da espaçonave, desacelerando a espaçonave. A radiação cíclotron da aceleração das partículas seria um uivo facilmente detectado em radiofrequências . Em um artigo publicado em 1995, "Detectando Civilizações Extraterrestres através das Assinaturas Espectrais de Nave Espacial Interestelar Avançada", Zubrin sugeriu que tal radiação poderia ser usada como um meio de detectar civilizações extraterrestres avançadas.

Assim, em voos espaciais interestelares fora da heliopausa de uma estrela, uma vela magnética poderia atuar como um pára - quedas para desacelerar uma espaçonave. Isso remove as necessidades de combustível para a metade de desaceleração de uma viagem interestelar, beneficiando enormemente a viagem interestelar. A vela magsail foi proposta pela primeira vez para este propósito em 1988 por Robert Zubrin e Dana Andrews , anterior a outros usos, e evoluiu de um conceito de ramjet Bussard que usava uma concha magnética para coletar material interestelar . Mais recentemente, uma combinação de vela magnética e vela elétrica foi proposta por Perakis e Hein. A vela magnética é usada para desaceleração em velocidades mais altas e a vela elétrica em velocidades mais baixas. A simulação mostra uma economia de massa considerável para o sistema combinado.

As velas magnéticas também poderiam ser usadas com propulsão movida a feixe , usando um acelerador de partículas de alta potência para disparar um feixe de partículas carregadas na espaçonave. A vela magnética desviaria este feixe, transferindo impulso para o veículo. Isso proporcionaria uma aceleração muito maior do que uma vela solar movida por um laser , mas um feixe de partículas carregadas se dispersaria em uma distância menor do que um laser devido à repulsão eletrostática de suas partículas componentes. Este problema de dispersão poderia ser potencialmente resolvido pela aceleração de um fluxo de velas que, por sua vez, transferem seu ímpeto para um veículo magsail, como proposto por Jordin Kare .

Teoria no limite de pequenas densidades de plasma

A vela magnética de uma nave interestelar precisa frear dos prótons do meio interestelar . A densidade dos prótons é muito baixa, da ordem de 0,3 átomos por centímetro cúbico para a nuvem interestelar local , que atinge uma distância de 30 anos-luz do sol , e da ordem para a bolha local circundante . Um choque de arco pode ser desprezado no limite de pequenas densidades de plasma. Uma espaçonave com massa total, em seguida, muda sua velocidade via ${\ displaystyle n_ {p}}$${\ displaystyle n_ {p} \ approx 0,05 \, / {\ mbox {cm}} ^ {3}}$${\ displaystyle m_ {tot}}$${\ displaystyle v}$

${\ displaystyle m_ {tot} {\ dot {v}} = - \ left (A (v) n_ {p} v \ right) (2m_ {p} v),}$

onde está a massa do próton e a área de reflexão efetiva. O número de prótons refletidos por segundo é , com cada próton impactando transferindo um momento de para a nave. O momentum geral é conservado . ${\ displaystyle m_ {p}}$${\ displaystyle A (v)}$${\ displaystyle A (v) n_ {p} v}$${\ displaystyle 2m_ {p} v}$

Área de reflexão efetiva

A área de reflexão efetiva deve ser determinada numericamente avaliando as trajetórias dos prótons impactantes dentro do campo magnético gerado pelo circuito supercondutor. O físico alemão Claudius Gros descobriu que a área de reflexão efetiva pode ser aproximada, para uma vela magnética na configuração axial, com alta precisão por. ${\ displaystyle A (v)}$

${\ displaystyle A (v) = 0,081 \ pi R ^ {2} \ left [\ log \ left ({\ frac {cI} {vI_ {c}}} \ right) \ right] ^ {3},}$

onde é a área delimitada pelo circuito de transporte de corrente, a velocidade da luz , a corrente através do circuito e uma corrente crítica. Os prótons não são refletidos de forma alguma se . ${\ displaystyle \ pi R ^ {2}}$${\ displaystyle c}$${\ displaystyle I}$${\ displaystyle I_ {c} = 1,55 \ cdot 10 ^ {6} \, {\ mbox {Ampère}}}$${\ displaystyle v> c (I / I_ {c})}$

Solução explícita

A expressão analítica para a área de reflexão efetiva permite uma solução explícita da equação do movimento . O resultado é que a velocidade cai para zero à distância . Minimizando a distância de parada para uma determinada massa da nave que se encontra ${\ displaystyle A (v)}$${\ displaystyle m_ {tot} {\ dot {v}} = - 2A (v) n_ {p} m_ {p} v ^ {2}}$${\ displaystyle x_ {max}}$${\ displaystyle x_ {max}}$${\ displaystyle m_ {tot}}$

${\ displaystyle x_ {max} = {\ frac {3.1} {m_ {p} n_ {p}}} \, {\ frac {m_ {tot}} {\ pi R ^ {2}}}.}$

A velocidade de uma nave começando a frear com uma velocidade inicial é dada por meio de ${\ displaystyle v}$${\ displaystyle v_ {0}}$

${\ displaystyle v (x) = v_ {0} \, e \, \ exp \ left ({\ frac {-1} {\ sqrt {1-x / x_ {max}}}} \ right),}$

em função da distância percorrida, com ${\ displaystyle x \ in [0, x_ {max}]}$

${\ displaystyle t = \ int _ {0} ^ {x} {\ frac {dx '} {v (x')}} = {\ frac {1} {v_ {0} \, e}} \ int _ {0} ^ {x} dx '\ exp \ left ({\ frac {1} {\ sqrt {1-x' / x_ {max}}}} \ right)}$

sendo o tempo necessário para cruzar a distância . O tempo necessário para parar totalmente, portanto, diverge. ${\ displaystyle t = t (x)}$${\ displaystyle x}$${\ displaystyle t (x \ a x_ {max})}$

Perfis de missão

Usando o resultado analítico e a capacidade de carga de corrente dos fios supercondutores revestidos de última geração , pode-se estimar a massa necessária para a vela magnética. ${\ displaystyle v (x)}$

• Para uma missão de alta velocidade a Alpha Centauri , com , encontra-se e . Esses requisitos excedem em muito as especificações dos sistemas de lançamento projetados, como da iniciativa Breakthrough Starshot .${\ displaystyle v_ {0} = c / 10}$${\ displaystyle R \ approx 1600 \, {\ mbox {km}}}$${\ displaystyle m_ {tot} \ approx 1500 \, {\ mbox {tons}}}$
• Para uma missão de baixa velocidade para TRAPPIST-1 , com , consegue-se e . Esses requisitos estão de acordo com as especificações dos sistemas de lançamento projetados.${\ displaystyle v_ {0} = c / 300 \ approx 1000 \, {\ mbox {km / s}}}$${\ displaystyle R \ approx 50 \, {\ mbox {km}}}$${\ displaystyle m_ {tot} \ approx 1.5 \, {\ mbox {tons}}}$

Missões de longa duração, como missões destinadas a oferecer caminhos evolutivos alternativos para a vida terrestre, por exemplo, como previsto pelo projeto Genesis , poderiam, portanto, frear passivamente usando velas magnéticas.

Usos fictícios na cultura popular

As velas magnéticas se tornaram um tropo popular em muitas obras de ficção científica, embora a vela solar seja mais popular:

1. O ancestral da vela magnética, a concha magnética Bussard , apareceu pela primeira vez na ficção científica no conto de Poul Anderson de 1967, To Outlive Eternity , que foi seguido pelo romance Tau Zero em 1970.
2. The Magsail aparece como um dispositivo de enredo crucial em The Children's Hour , um romance Man-Kzin Wars de Jerry Pournelle e SM Stirling (1991).
3. Ele também aparece com destaque nos romances de ficção científica de Michael Flynn , particularmente em The Wreck of the River of Stars (2003); este livro é o conto do último vôo de um navio a vela magnética quando os foguetes de fusão baseados no Fusor Farnsworth-Hirsch se tornaram a tecnologia preferida.

Embora não seja referido como uma "vela magnética", o conceito foi usado no romance Encontro com o Tibre, de Buzz Aldrin e John Barnes, como um mecanismo de frenagem para desacelerar as naves estelares da velocidade relativística.

Veja também

• Vela eletrica
• A corda eletrodinâmica interage com a magnetosfera de maneira semelhante à vela magnética
• MagBeam (propulsão de plasma por feixe magnetizado) - uma variante alimentada por feixe de propulsão por plasma mini-magnetosférico (M2P2).
• Propulsão  de espaçonaves - Método usado para acelerar espaçonaves - Outros métodos de propulsão de espaçonaves usados ​​para alterar a velocidade de espaçonaves e satélites artificiais.
• Lista de artigos sobre plasma (física)

Referências

links externos

• プ ラ ズ マ ・ 核融合 学会 誌 - 磁 気 プ ラ ズ マ セ イ ル の 研究 と 深 宇宙 探査 へ の 挑 戦(PDF)

• 九州 大学 大 学院 - MPS に お け る 磁 気 イ ン フ レ ー シ ョ ン に 関 す る 研究(PDF)

• JAXA - プ ラ ズ マ セ イ ル(PDF)

• 神 戸 大学 大 学院 - 惑星 間 航行 シ ス テ ム 開 発 に 向 け た マ ル チ ス ケ ー ー ル 粒子 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン(PDF)

• JAXA - 磁 気 プ ラ ズ マ セ イ ル の 推力 発 生 メ カ ニ ズ ム の 解 明(PDF)