Ta del av allt innehåll på Aktuell Hållbarhet
Starta din prenumeration

Prenumerera

Måndag10.08.2020

Kontakt

Annonsera

Meny

Starta din prenumeration

Prenumerera

Sök

Klimat

Minimagnetosfär ska skydda rymdfarare

Publicerad: 6 November 2008, 13:46

Solens partiklar kan slå ut elektronik och satelliter och döda astronauter. Nu finns motmedel.


Norrsken var allt den primitiva människan såg av Solens partikelstormar. För henne räckte det att fascineras av det och eventuellt tillbe fenomenet.

När forskare som John Van Allen upptäckte strålningsbältena kring Jorden stod det klart att Solen påverkar Jorden på mer än ett sätt. Numera vet vi att Jordens magnetfält skapar en bubbla i den partikelstorm som vi numera kallar solvinden. Den bubblan är vad som skyddar människan från de högenergetiska partiklarna, främst vätejoner, alltså väteatomer som blivit av med sin elektron (alltså: protoner). De ackompanjeras av lösa elektroner, allt blandat i ett plasma som blåser förbi jorden i ungefär 350 km/s. Trycket är mycket lågt, ungefär det vi skulle kalla högvakuum.

Den bubbla som bildas kallar vi för Magnetosfären.

När Solen får ett utbrott i riktning mot Jorden ökar stormens intensitet, vilket ger oss vackra norrsken, eller i värsta fall störningar på elnätet eftersom de partiklar som faller ned mot Jorden vid de magnetiska polerna orsakar magnetfält som induceras i kraftledningarna. Och i Banverkets mycket långa signalledningar, och orsakar signalfel.

Radioamatörerna blir å andra sidan alltid glada för solstormar eftersom de orsakar jonisering i stratosfären vilket leder till nya, trevliga reflektionsfenomen, vilket i sin tur ger nya kommunikationsmöjligheter genom att radiovågor reflekteras tillbaka mot jordytan bättre än annars.

Satelliter i låg bana kring Jorden, som till exempel Internationella Rymdstationen påverkas inte av solvinden eftersom den låga omloppsbanan ligger innanför magnetosfären. Därför skyddas också de astronauter som lever där från bestrålning med högenergetiska partiklar.

Solutbrott fotograferat av SOHO-observatoriet. Magnifikt men farligt. Kometen uppe till vänster är Machholz-1 och den mycet ljusa planeten till höger är Venus.

Satelliter i geostationär bana skyddas inte, varför man brukar lägga dem i ”safe mode” när en solstorm är på väg. Solvinden representerar en enorm elektrisk ström som kan induceras i all elektronik och påverka den (EMI) eller rakt av slå sönder den. Astronauter i interplanetär rymd kommer att bestrålas och vi har redan haft problem med att sonder på väg till Venus och Mars slagits sönder av solstormar och blivit obrukbara. Bara för att klara normal solaktivitet, plus den kosmiska strålningen, har alla rymdfarkoster mycket redundans och använder sig dessutom kontinuerligt av ”memory scrubbing”, en metod att felsöka minnesinnehållet och rätta det (aktiv ECC).

Människor har ingen redundans och kan skadas eller dödas av ett kraftigt solutbrott. Den tunna aluminium som rymdkapslar brukar vara uppbyggda av (i Apollo-fallet 0,75 mm) duger inte till mycket. Rymdkapslar av bly är inte att tänka på, på grund av vikten. Och när man sedan ska leva på Mars måste man ändå vistas ute på ytan och bli bestrålad (eftersom Mars saknar magentosfär och har mycket tunn atmosfär).

Konstgjord magnetosfär

Forskare vid Rutherford Appleton Laboratory, och vid fysikinstitutionen vid Yorks Universitet i England upptäckte att en magnetisk dipol (i princip en vanlig stavmagnet) kan skapa en bubbla i ett plasmaflöde. Bubblan, som kan kallas för minimagnetosfär, är i princip helt tom på joner och elektroner, trots att en konstgjord solvind blåser förbi på bara fem millimeters avstånd.

Man använde en plasmakammare kallad LinX som kunde skjuta en plasmastråle av väte-, deuterium- och tritiumjoner och lösa elektroner i hastigheter på över Mach 3 (som annars används för försök med vätefusion). Jonerna höll en densitet på cirka 10E+17 joner/kubikmeter och elektronerna en energi på 3-7eV. Det är inte särskilt mycket, närmast inget alls, men räcker till för att skada en människa. Själva källan kallas för ”duoplasmotron”… Känn på det ordet!

Man sköt en 1,5 cm plasmastråle rakt mot två olika magneter (dipole field source), dels en vanlig rund permanentmagnet med en diameter på cirka 2 centimeter med ett fält på cirka 0,2 T vid polen, och en trådspole som kunde producera cirka 2 T vid en ström av 3500 ampere. Fältet mättes dels med sk Langmuir-probar, i princip tunna trådar som kan svepas igenom fältet och mäta den ström som träffar tråden, utan att störa fältet så mycket, dels med en höghastighetskamera (visible imaging camera) som såg det ljus som uppkommer när jonerna träffar restgaser i kammaren (target chamber). Plasmat självt syns inte. Kameran kunde ta 50.000 bilder per sekund och det behövdes i försöket med pulsade fält.

Den optiska bilden av plasmat visar tydligt hur strålen undviker den magnetiska polen och skapar en bubblas kring densamma. De svaga runda srukturerna i bakgrunden är själva mätkammarens inredning.

Mätningarna visade att det inuti bubblan knappt fanns några joner alls. Densiteten minskade från 1,2E+17 joner/m3 till väldigt nära noll (se vidare rapporten) och jonernas fart minskades från Mach 3 till under subsoniska hastigheter. Jonerna böjdes undan och bildade ett skal på cirka 4 mm, en sk transportregion (magnetopausen), som hjälpte till att knuffa undan andra joner.

Mätvärdena visas som falska färger i följande tredimensionella diagram.

Man ser att permanentmagneten får en magnetosvans, precis som Jordens magnetosfär har. De röda områdena i strålen är jondensiteter på sagda 1,2E+17/m3 medan blå färg anger områden med låg densitet.

Pulsat magnetfält

Antagligen vill man inte bära med sig stora permanentmagneter i rymden, utan vill skapa fältet på elektromagnetisk väg. Därför provade man med en elektromagnetisk spole också.

Tidigare har man föreställt sig att de strömmar som behövts för att knuffa undan jonerna skulle vara ofantliga (kiloampere) och skulle vara omöjliga att vidmakthålla i ett rymdskepp. Nu visar de engelska forskarna att det går åt betydligt mycket högre fältstyrkor att skapa bubblan än att vidmakthålla den. När man skickade på en puls på 3000 ampere på cirka 500 mikrosekunder genom spolen, låg ”skyddet” kvar i hela 5 millisekunder, alltså tio gånger längre än strömpulsens topp. Medelströmmen kan alltså uppskattas till en tiondel av det toppvärde som behövs.

Överfört i praktiken

Mätningarna i det här experimentet var på centimeternivå. Uppställningen måste skalas upp till flera meter, ja kanske flera hundra meter, om den ska vara praktiskt användbar för rymdfärder, men det behöver inte bli så svårt som det kan låta.

Jordens magnetfält är 0,4 T och det skyddar oss ganska bra. Högre fältstyrka än så behöver man alltså inte sikta på. Antag att man gör en större spole, med kanske 100 meters diameter, och låter denna sväva runt rymdskeppet.

Antag vidare att den kan göras av högtemperatursupraledare och skärmas av från solljuset med lämpligt reflekterande hölje. Den behöver bara sitta fast i rymdskeppet i tre mjuka stödben för att hänga med vid kurskorrektioner och längs ett av benen drar man in två tilledare till rymdskeppet och injicerar ström i spolen.

Magnetfältet kommer att dra ut spolen till cirkulär form och när man uppnått tillräcklig fältstyrka kortsluter man ringen med en kontaktor ute i periferin, och fältet kommer sedan att bibehållas i all evighet utan att man behöver tillföra mer energi.

Väl framme vid exempelvis Mars kan man öppna kontaktorn och låta ringen ladda ur sig i en serieresistans. När strömmen är noll kan man rulla ihop spolen och dra in den i en behållare i rymdskeppet.

Detta skulle vara genomförbart med dagens teknik.

Hallå Svenska Rymdbolaget. Ni får idén av mig, men jag vill ha royalty!

Läs mer

Rapporten om den artificiella bubblan: http://www.iop.org/EJ/abstract/0741-3335/50/12/124025
Om solvinden: http://sv.wikipedia.org/wiki/Solvind
Om magentosfären: http://sv.wikipedia.org/wiki/Magnetosf%C3%A4r

Jörgen Städje

Dela artikeln:


Håll dig uppdaterad med vårt nyhetsbrev

Genom att skicka in mina uppgifter godkänner jag Bonnier Business Media AB:s (BBM) allmänna villkor. Jag har även tagit del av BBM:s personuppgiftspolicy.