ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА КОСМИЧЕСКИХ КОРАБЛЕЙ, ПЛАНЕТ, СПУТНИКОВ ПЛАНЕТ И ДРУГИХ КОСМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ ОТ РАДИАЦИОННОГО КОСМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Гарафутдинов А.А.

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА КОСМИЧЕСКИХ КОРАБЛЕЙ, ПЛАНЕТ, СПУТНИКОВ ПЛАНЕТ И ДРУГИХ КОСМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ ОТ РАДИАЦИОННОГО КОСМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Аннотация

В статье рассмотрено – создание системы защиты космических объектов от радиационного воздействия частиц солнечного ветра и галактических космических лучей с помощью электростатического поля.

Ключевые слова: радиационная защита, солнечный ветер, галактические космические лучи, Луна, Марс, космический корабль.

Garafutdinov A.A.

ELECTROSTATIC PROTECTION SPACECRAFT, PLANETS, SATELLITES OF PLANETS AND OTHER SPACE OBJECTS FROM RADIATION COSMIC RADIATION

Abstract

In the article - creation of the system of protection of space objects from radiation particles of the solar wind and galactic cosmic rays by means of an electrostatic field.

Keywords: radiation protection, Solar Particle Events, Galactic Cosmic Rays, Moon, Mars, spacecraft.

I. Введение

Планета Земля обладает собственным магнитным полем, благодаря которому обеспечивается защита от внешней космической радиации. Космическая радиация имеет двойную природу (происхождение). Основную массу космической радиации составляют заряженные частицы: протоны, электроны, альфа-частицы со скоростями 400-1000 км/с испускаемые с поверхности Солнца и называемые солнечным ветром (Solar Particle Events (SPE)). Но кроме этого, существуют галактические космические лучи (Galactic Cosmic Rays (GCR)). Это высокоэнергетические частицы, которые проникают из-за пределов солнечной системы со скоростями близкими к скорости света. Без защитного магнитного поля Земли жизнь на ней была бы не возможна.

II. Электростатическая защита межпланетного космического корабля

При осуществлении межпланетных перелетов космический корабль с космонавтами на борту будет вынужден покинуть зону магнитной защиты нашей планеты. Как показали последние исследования полетов автоматических аппаратов к Марсу, за время полёта космонавты могут получить дозу облучения от действия космической радиации, превышающую в 3-4 раза  предельную степень облучения человека.

Возникает проблема обеспечения радиационной защиты экипажа межпланетного космического корабля.

Решение проблемы заключается в следующем. Обитаемый отсек, в котором находятся космонавты, имеет сферическую форму и изготавливается из металла или имеет металлическое покрытие на внешней поверхности. Эту поверхность заряжают отрицательным электрическим зарядом. Назовём эту поверхность «Поверхностью I». Как известно, электрическое поле внутри заряженной поверхности, а значит и внутри обитаемого отсека отсутствует.

На определённом удалении от заряженной поверхности обитаемого отсека имеется ещё одна сферическая поверхность, которая в свою очередь заряжается положительным электрическим зарядом. Поверхность эта предпочтительней должна иметь структуру, позволяющую относительно свободно проникать через неё электронам, например, иметь сетчатую структуру. Назовём эту поверхность «Поверхностью II». Сферические Поверхности I и II расположены коаксиально, т.е. имеют общий центр. Расстояние между отрицательно и положительно заряженными Поверхностями I и II должно быть достаточным, чтобы не допустить между ними автоэмиссию (самопроизвольное перетекание зарядов).

Из источника Figure 24, следует, что для уменьшения в 4 раза уровня радиационного облучения космонавтов космическими лучами, необходимо обеспечить защиту обитаемого отсека от заряженных частиц с максимальной энергией порядка Е_о=10ГэВ. Электростатическая защита заключается в торможении и отражении заряженной поверхностью направляющихся к ней заряженных частиц того же знака. При этом максимальная потенциальная энергия частицы в электростатическом поле заряженной сферы должна быть при этом не меньше максимальной кинетической энергии частицы, то есть Е_о. Это условие запишем так,

                                         (1)

k=9·10⁹ (Н·м²)/Кл²

Q – заряд сферы, Кл

q – заряд частицы, Кл

R – радиус сферы, м

Формулу (1) преобразуем к виду

                                                   (2)

Частицы солнечного ветра и космических лучей в основной массе состоят из положительно заряженных протонов и отрицательно заряженных электронов, имеющих равный по величине заряд.

Подставив исходные данные:

Е_о=10ГэВ=1.6·10^-9 Дж, R=9м, q=1.6·10^-19 Кл,

Получим необходимый заряд сферы Q=10Кл, необходимый для снижения уровня космической радиации до требуемого уровня.

Рис. 1 - схема радиационной защиты межпланетного космического корабля электростатическим полем

Величина отрицательного заряда Q_I Поверхности I по абсолютному значению должна составлять порядка 20 Кл.

Величина положительного заряда Q_I1 Поверхности II должна превышать по модулю (абсолютному значению) значение отрицательного заряда Поверхности I на 10 Кл и должна составить значение порядка 30 Кл.

Работа предполагаемой защиты осуществляется таким образом.

Поскольку положительный заряд Q_I1 Поверхности II превышает по абсолютному значению отрицательный заряд Q_I Поверхности I и ввиду того, что отрицательный заряд находится внутри положительного заряда, то на внешней поверхности положительно заряженной Поверхности II возникает положительный суммарный заряд равный 10Кл:

 Получается, что на внешней Поверхности II скапливается заряд Q_I1Σ=+10Кл. Другая часть заряда (+20Кл) скапливается на внутренней стороне Поверхности II сближаясь с зарядом отрицательно заряженной Поверхности I.

 Поскольку в космосе присутствуют заряженные частицы в основном в виде протонов и электронов солнечного ветра и космических лучей, то свободные электроны притягиваются положительно заряженной Поверхностью II, стремясь компенсировать (уравновесить, нейтрализовать) его. Но так как электроны имеют значительные скорости, то они образуют на определённом расстоянии от положительного заряда Q_I1Σ Поверхности II облако электронов, которые вращаются по своим орбитам. Очень быстро положительный заряд Q_I1Σ Поверхности II собирает вокруг себя электронное облако с суммарным зарядом равным ‒10 Кл. В результате вне электронного облака электростатический заряд будет равен нулю, а под облаком будет действовать поле положительного заряда Q_I1Σ. Ввиду того, что масса электронов очень мала, средний радиус электронного облака будет составлять порядка 100 км.

В результате положительно заряженные ядра атомов солнечного ветра и космических лучей пройдя через электронное облако, попадают в зону действия положительного заряда Поверхности II и начинает отклоняться от своего первоначального направления в строну от положительного заряда. Заряд величиной 10Кл, как мы рассчитали выше, достаточен для отражения основной массы движущейся к обитаемому отсеку положительно заряженных частиц. Электроны, проникая в область под электронное облако, начинают ускоряться в электростатическом поле положительного заряда Q_I1Σ Поверхности II, приобретая дополнительную кинетическую энергию. Далее электроны, достигнув сетчатую Поверхность II, проникают сквозь неё внутрь Поверхности II. Известно, что электростатические заряды, равномерно распределённые на внутренней поверхности сферы, компенсируют друг друга и напряжённость электростатического поля внутри сферы от этих зарядов равно нулю, а электростатическое поле от внешних зарядов внутри проводящей сферы также равно нулю. Следовательно, на электроны, влетевшие в область между внутренней отрицательно заряженной сферической Поверхностью I и внешней положительно заряженной сферической Поверхностью II, действует только отрицательный заряд Q_I Поверхности I. Электроны в этой области начинают отклоняться от своего первоначального положения и отталкиваться от отрицательно заряженной Поверхности I.

Заряд внутренней Поверхности I выбран в 2 раза больше суммарного заряда над внешней Поверхности II для того, чтобы погасить первоначальную кинетическую энергию электронов которой они обладают до попадания их в поле действия положительно заряженной Поверхности II и ту кинетическую энергию, которую они приобретают  под действием силы притяжения положительно заряженной Поверхности II.

Кроме описанной здесь модели радиационной защиты, может быть использована несколько видоизменённая модель. Отличие этой модели от описанной выше модели заключается в том, что она дополняется ещё одной заряженной отрицательным зарядом сферической Поверхностью III.  Преимущественно поверхность этой сферы должна иметь сетчатую структуру для прохода через её поверхность положительно и отрицательно заряженных частиц.

Рис. 2 - схема второй модели радиационной защиты межпланетного космического корабля электростатическим полем

Данная поверхность располагается коаксиально упомянутым в первоначальном варианте заряженным сферическим Поверхностям I и II. Радиус R_III Поверхности III больше радиусов R_I и R_II двух других сфер, а заряд её будет отрицательным и равным в нашем случае Q_I1I= ‒10Кл. Отличительной особенностью данной конструкции от описанной в начале заключается в том, что заряд на внешней сферической Поверхности III приводит к тому, что вне этой поверхности электростатическое поле отсутствует, а, следовательно, отсутствует и внешнее электронное облако. Другие Поверхности I и II работают во второй модели также как и аналогичные поверхности в первой модели.

Величины и знаки зарядов поверхностей и радиусов сферических поверхностей, указанные при описании в приведённых моделях, являются оценочными.

Очевидно, что в описанных моделях радиационной защиты можно использовать не только сферические поверхности, но и цилиндрические и другие замкнутые поверхности.

Таким образом, основная масса ядер и электронов, которые проникают через электронное облако или Поверхность III, отражаются от обитаемого отсека космического корабля назад в космическое пространство.

Поскольку форма и структура упомянутых выше поверхностей не влияет на получаемый результат, будем называть их в общем случае оболочками. Оболочка может представлять собой как твёрдую конструкционную заряженную поверхность, так и слой частиц с одинаковыми по знаку зарядами.

Сформулируем общие условия, при которых может быть обеспечена электростатическая защита от внешнего радиационного воздействия.

1. Электростатическая защита содержит три заряженные оболочки: внутреннюю, среднюю и внешнюю (в приведённых примерах, соответственно: поверхность I, поверхность II, поверхность III).
2. Внутренняя и внешняя оболочки имеют одноимённые по знаку заряды противоположные знаку заряда средней оболочки, причём сумма зарядов внутренней и внешней оболочек равны по абсолютному значению заряду средней оболочки.
3. Заряд средней оболочки превосходит значение заряда внутренней оболочки по абсолютному значению на величину достаточную для отражения движущихся в его сторону одинаковых по знаку с ним заряженных частиц c начальной кинетической энергией, не превышающей определённого максимального уровня кинетической энергии, но не более чем в два раза.
4. Заряд внутренней оболочки по абсолютному значению достаточен для отражения движущихся в его сторону одинаковых по знаку с ним заряженных частиц c начальной кинетической энергией, не превышающей определённого максимального уровня кинетической энергии.

Заряд средней оболочки не превышает более чем в два раза заряд внутренней оболочки по абсолютному значению в связи с тем, что заряженные частицы, знак которых совпадает со знаком внутренней оболочки, в пространстве между средней и внешней оболочками приобретают дополнительную (к начальной) кинетическую энергию. Следовательно, для того, чтобы их отразить в пространстве между внутренней и средней оболочками заряд внутренней оболочки должен превосходить по абсолютному значению разность абсолютных значений зарядов средней и внутренней оболочек.

 Заряд внутренней  и внешней оболочек могут, как и в приведенных выше моделях, иметь отрицательные по знаку заряды, но могут иметь и положительные по знаку заряды. А средние оболочки, соответственно, положительные или отрицательные по знаку заряды.

Заряженные частицы, начальные кинетические энергии которых ниже определённых максимальных уровней, указанных в п.3 или п.4, будут отражаться от средней или внутренней оболочек назад в космос, а частицы с большими начальными кинетическими энергиями будут проходить через среднюю и внутреннюю оболочки. Начальная кинетическая энергия частицы – это энергия её до прохождения через внешнюю оболочку.

III. Электростатическая защита планет и спутников планет

Передовые космические исследовательские центры в настоящее время занимаются проработками вариантов освоения Луны и Марса. Как известно, на Луне практически отсутствует магнитное поле, а на Марсе оно слабее земного почти в 30000 раз, что недостаточно для защиты её поверхности даже от частиц солнечного ветра. Для обеспечения радиационной защиты от частиц солнечного ветра и галактических космических лучей поверхностей Луны и Марса можно создать вокруг них искусственную электростатическую защиту из 3-х оболочек подобно описанным в главе II. В этом случае внутренней оболочкой будет являться поверхность Луны или Марса. Среднюю оболочку можно создать из частичек пыли запущенных на круговую орбиту вокруг Луны или Марса с первой космической скоростью (желательно в плоскости эклиптики). Внешняя оболочка будет образовываться сама по себе после зарядки внутренней и средней оболочки в соответствии с условиями, сформулированными в конце главы II. Зарядку внутренней и средней оболочек можно производить с помощью специальных электростатических пушек, которые выбрасывают электроны  или положительные ионы (например, протоны).

У меня есть, предположение о том, что отрицательно заряженная поверхность Земли, внутренний радиационный пояс, содержащий в основном положительно заряженные протоны и внешний радиационный пояс, состоящий из отрицательно заряженных электронов, также являются соответственно внутренней, средней и внешней оболочками электростатической защиты и обеспечивают защиту Земли от галактических космических лучей.

Литература

1.   Яворский Б.М. и Детлаф А.А. Курс физики. Т. III. Изд. 2-е. Учебник. М., «Высш. школа», 1971. 536 с. с илл.
2.   Рымкевич П.А. Курс физики. Изд. 2-е, перераб. И доп. Учеб. Пособие для педагогических институтов. М., «Высш. школа», 1975. 464 с. с ил.

References

1. Javorskij B.M. i Detlaf A.A. Kurs fiziki. T. III. Izd. 2-e. Uchebnik. M., «Vyssh. shkola», 1971. 536 s. s ill.
2. Rymkevich P.A. Kurs fiziki. Izd. 2-e, pererab. I dop. Ucheb. Posobie dlja pedagogicheskih institutov. M., «Vyssh. shkola», 1975. 464 s. s il.