Część trzecia omówienia: wstęp do systemów aktywnych i tarcza elektrostatyczna 

​

Wstęp 

​

Każdy entuzjasta naukowej fantastyki przyzna, że powyższy dialog brzmi lepiej, niż gdyby fraza pani kapitan brzmiała „opuścić stanowiska, chowamy się do łazienek” (czemu akurat do łazienek wyjaśniam w cz. II). A co za tym idzie, jeśli prospekt relokacji do marsjańskiej bazy ma być kiedyś atrakcyjny dla szerokiego grona wysokiej klasy specjalistów (wśród których, naturalnie, występuje nadreprezentacja geeków), to – jak wskazują wszystkie poważne badania* – statki przyszłości powinny być możliwie wierną reprezentacją wyobrażeń miłośników Star Treka o podróżach międzyplanetarnych. Tarcze w formie „pola siłowego” są natomiast charakterystycznym atrybutem wszelkich, futurystycznych pojazdów kosmicznych.

*nie ma takich badań

​

Czy jednak takie koncepcje mają praktyczny sens w kontekście ochrony pasażerów przed promieniowaniem? Na tak postawione pytanie można odpowiedzieć wymijająco, formułując niekontrowersyjny wniosek, że tarcze aktywne na pewno nie są niezbędne.

Początkowo, załogowe statki międzyplanetarne wyposażone będą jedynie w „prymitywne” schrony (przy czym prymitywne nie musi oznaczać niekomfortowe, co zostało uargumentowane oraz obszernie zilustrowane we wcześniejszym wpisie), osłaniające astronautów przed potencjalnie groźnymi cząstkami – w przypadku np. misji na Marsa jest to w pełni wystarczające remedium na problem promieniowania.

W dłuższej perspektywie jednak – choć ta może się teoretycznie skrócić do np. 30-40 lat, biorąc pod uwagę potencjał rozwoju sektora New Space – tj. gdy ludzkość zacznie zapuszczać się na coraz dłuższe wojaże, bardziej pożądanym rozwiązaniem mogą się okazać systemy, zapewniające stałą ochronę nie tylko wszystkich pokładów statku, a nawet jego bezpośredniego otoczenia (np. instrumenty badawcze rozmieszczone na zewnątrz, wszak precyzyjna elektronika podatna jest na „choroby popromienne” podobnie jak organizmy żywe). Tym bardziej, że poza podróżami od punktu A do B, można sobie wyobrazić orbitalne stacje-bazy, w których mieszkańcy będą spędzać długie lata (a pamiętajmy, że ewentualne reperkusje zdrowotne promieniowania jonizującego oddalone są w czasie).

Otoczenie całej konstrukcji warstwą pasywnego ekranowania to jedna z dróg, a nie sposób też wykluczyć opracowania z czasem bardzo efektywnych w tej roli materiałów. Teoretycznie, statek/stacja nie musi też mieć okien – technologia już dziś pozwala na zastąpienie ich ekranami, przekazującymi obraz z rozmieszczonych na zewnątrz kamer. Takie rozwiązanie jest obecnie poważnie rozważane nawet przez producentów samolotów, gdyż pozwala uprościć produkcję kadłuba oraz zredukować jego wagę (oba te kryteria mają też kluczowe znaczenie dla zapowiadanej przez SpaceX, masowej produkcji Starshipa). Nie ulega wątpliwości, że potencjał do usprawnień w kategorii ekranowania pasywnego jest duży i występować będzie jeszcze przez wiele lat.

Niestety, w samym założeniu taki rodzaj ochrony daleki jest od idealnego. Pod wpływem ciągłego „bombardowania” wysokoenergetycznymi cząstkami, właściwości ekranujące dowolnego materiału degenerują się z czasem. Problem staje się tym istotniejszy, im dłużej statek pozostaje w przestrzeni międzyplanetarnej. W przyszłości zaś należy się spodziewać statków, które po opuszczeniu „stoczni” nie lądują nigdy – dalej przybliżam fizyczne podstawy technologii, jakie mogą na tego typu jednostkach stanowić komplementarne uzupełnienie pasywnego ekranowania.

​

​

Wyróżnić możemy trzy, główne rodzaje ekranowania aktywnego: elektrostatyczne, elektromagnetyczne (w przypadku którego należy dodatkowo wyróżnić pola ograniczone i nieograniczone/otwarte) oraz, najbliższe wyobrażeniom rodem z s-f za sprawą wizualnego podobieństwa do pól siłowych, plazmowe (wymagające najbardziej zaawansowanej technologii, leżącej jednak w naszym zasięgu, zakładając finansowanie).

Te da się następnie dzielić na podkategorie i roztrząsać niuanse techniczne, lecz celem moich artykułów jest „zredukowanie” skomplikowanych zagadnień naukowych do możliwie najbardziej przystępnej, zrozumiałej dla laika i jednocześnie ciekawej formy, co jednak stanowić będzie coraz większe wyzwanie, gdy weźmiemy na tapet „dekonstrukcję” futurystycznych tarcz antyradiacyjnych. Dlatego część detali zostanie z premedytacją pominięta, zaś istnienie pewnych problemów jedynie zasygnalizuję, gdyby czytelnik życzył sobie zgłębić je na własną rękę (subskrybentom służę literaturą uzupełniającą).

Ta część poświęcona jest wyłącznie tarczom elektrostatycznym – przygotujemy w ten sposób grunt pod porównanie ich zalet i wad ze „sztucznymi” polami magnetycznymi oraz systemami opartymi na uwięzionej przez nie plazmie (część czwarta niniejszego cyklu).

​

Tarcza elektrostatyczna

Pomysł wydaje się banalny: umieszczone na statku generatory utrzymują wokół statku ładunek elektryczny, który odpycha naładowane cząstki promieniowania kosmicznego. Metoda działa więc dokładnie odwrotnie, niż ten kot:

​

​

Gdyby Filemon¹ na zdjęciu był statkiem kosmicznym, mógłby po prostu zmienić swój ładunek elektryczny i przemierzać bezkresne przestrzenie styropianowych kulek zupełnie bez szwanku. A gdyby ładunek był odpowiednio silny, te wręcz usuwałyby się mu z drogi.

Analogicznie, jeśli zamierzeniem inżynierów byłoby np. osłonić astronautów przed cząstkami GCR (promieniowanie docierające do nas spoza Układu Słonecznego – by dowiedzieć się więcej, przeczytaj poprzednie części mojego cyklu o promieniowaniu kosmicznym) o energiach do 500 milionów elektronowoltów (MeV), wystarczyłoby wygenerować ładunek o potencjale 500 megawoltów. Dodatkowo, cząstki o energiach wyższych zostałyby spowolnione przed uderzeniem w statek. W teorii brzmi więc bardzo dobrze i nawet trochę zbyt łatwo.

Właściwie, brzmi łatwo nie tylko w teorii, ponieważ mechanizm został z sukcesem (nawet większym, niż się spodziewano) przetestowany już pół wieku temu na radzieckim satelicie Kosmos 605:

​

​

Ale, jak łatwo się domyśleć, istnieje haczyk – na GCR składają się (w około 99%) protony i jądra atomowe (głównie helu), czyli cząstki o ładunku dodatnim. Tymczasem wiatr słoneczny obfituje też w elektrony – jakkolwiek mniej energetyczne, jest ich znacznie więcej niż protonów GCR.

Otoczenie statku silnym polem dodatnim spowodowałoby, że odpychający „efekt odwróconego kota” sprawdziłby się świetnie jako tarcza przed cząstkami GCR, lecz jednocześnie ujemnie naładowane elektrony byłyby przyciągane i dodatkowo przyśpieszane w naszym polu 500 MV, aż do nieuchronnego zderzenia z kadłubem.

Co prawda, uderzający w kadłub statku elektron, w przeciwieństwie do ciężkich jąder atomowych, nie jest w stanie przebić nawet cienkiego poszycia (brak mu siły penetrującej), lecz w przyrodzie nic nie ginie – energia elektronu musi być zachowana, stąd jego nagłe zatrzymanie skutkuje emisją fotonu. Pod ciągłym bombardowaniem, kadłub szybko więc zacząłby promieniować w zakresie rentgenowskim, czego praktycznym efektem byłoby „ugotowanie” załogi. Czyli znacznie gorzej, niż jakby pola „ochronnego” nie było wcale… Naturalnie, ktoś mógłby powiedzieć, że emitujący promienie X kadłub to jeszcze nie tragedia, ponieważ można je stosunkowo łatwo zablokować. Nie po to jednak wyposażyliśmy właśnie statek w futurystyczną tarczę aktywną, by wykreować konieczność równoległego, wielotonowego ekranowania przed promieniowaniem rentgenowskim. Tym bardziej, że przed uruchomieniem tarczy elektrony słonecznego pochodzenia nie stanowiły żadnego zagrożenia.

Podsumujmy zatem istotę problemu: skuteczna tarcza elektrostatyczna to taka, która nie przyciąga (nadając im przy tym wyższych energii) elektronów z całej okolicy wokół statku i jednocześnie odpycha, nieobojętne dla zdrowia astronautów, dodatnie jony promieniowania kosmicznego. Czy da się zatem jednocześnie odpychać od statku cząstki o ładunkach plus i minus?

Otóż da się, choć tu sprawa się nieco komplikuje. W celu odpychania cząstek o przeciwnych ładunkach, pole musi mieć strukturę „warstwową”, wielobiegunową – zadaniem zewnętrznej „warstwy” jest wyczyszczenie bezpośredniego sąsiedztwa statku, otaczając go swoistą „bańką” bez elektronów, by rozmieszczone bliżej statku bieguny dodatnie mogły następnie uporać się z protonami.

​

Budowa

​

Najprostszą konfiguracją, która spełnia powyższe wymagania jest tzw. kwadrupol liniowy.

​

Mógłby on zostać tak „dostrojony”, by filtrować większość cząstek promieniowania kosmicznego na trajektoriach kolizyjnych.

Jest to możliwe z uwagi na fortunną, pod tym względem, cechę promieniowania kosmicznego, a mianowicie energetyczną asymetrię między elektronami (niskie energie) i dodatnio naładowanymi cząstkami GCR (bardzo wysokie energie).

Obserwowany z oddali, statek generuje pole o właściwościach monopolu ujemnego – cały układ jest też lekko „na minusie”. Nie dopuszcza ono elektronów w pobliże umieszczonego w centrum bieguna dodatniego (podkreślmy, że pole to przyśpiesza jednocześnie cząstki GCR, jednak tylko minimalnie, co nie stanowi istotnej różnicy dla ich energii, ponieważ ta jest już duża „na wejściu”).

​

W zbliżeniu widać jednak, że skoncentrowane pole dodatnie odchyla wszystkie protony poniżej danego poziomu energetycznego. Jak wiemy z poprzednich wpisów, próby zatrzymania czy odchylenia wszystkich cząstek GCR są nierealistyczne – jest to prawdą tak dla ekranowania pasywnego, jak aktywnego. Przypomnijmy, że z najbardziej energetycznymi protonami nie radzi sobie nawet pole magnetyczne Słońca, później Ziemi, a na końcu i cała atmosfera (żeby przyjąć dawkę promieniowania z centrum Drogi Mlecznej, wystarczy wybrać się na spacer, najlepiej po górach), więc niektóre z nich przelecą przez elektrostatyczną tarczę jakby jej nie było. Nie zmienia to jednak faktu, że „odcięcie” 80% protonów przekłada się na mniej-więcej 5-krotną redukcję przyjmowanych przez załogę dawek promieniowania.

Inne koncepcje struktury wielobiegunowej zakładają otoczenie statku naładowanymi sferami (te mogłyby być dosłownie nadmuchiwane) – im wyższa różnica potencjałów, tym większa odległość konieczna jest do utrzymania ich relatywnych pozycji.

​

​

Rysunek niżej przedstawia jedną z potencjalnie możliwych konfiguracji – centralny obszar o średnicy 40 metrów chroniony jest przez 12 sfer, o ładunkach +300 MV i -300 MV. Całkowita średnica układu wynosi 320 metrów².

​

​

Co ważne jednak, cząstki o energiach przewyższających wartość pola, zostaną przez nie spowolnione, czyniąc zastosowane na statku ekranowanie pasywne (jak omawiany szczegółowo w drugiej części cyklu o promieniowaniu płaszcz wodny) bardziej skutecznym.

Przykładowo, dla zobrazowanej wyżej konfiguracji (300 MV), cząstka o początkowej energii kinetycznej 6 GeV uderzyłaby w statek z energia 5,7 GeV (5% różnicy – rzecz jasna, procentowy poziom redukcji jest tym większy, im mniejsza różnica między ładunkiem pola a energią cząstki penetrującej). Pod tym względem, tarcza elektrostatyczna może jawić się jako przyszłościowe rozwiązanie uzupełniające w dużych jednostkach. Systemów aktywnych nie powinniśmy bowiem rozpatrywać jako alternatywy zastępującej ekranowanie pasywne, lecz jako pierwszą linie obrony, która „odciąża” poszycie statku.

(...)

​

​

​

Przypisy

1. Imię ofiary zostało zmienione.

2. Chcąc osiągnąć blisko stuprocentową efektywność ochrony przed GCR, konieczne byłoby pole o potencjale wielu miliardów woltów, a to z kolei wymagałoby struktury o rozpiętości mierzonej w kilometrach, by nie występowały różne efekty niepożądane, jak chociażby niekontrolowane wyładowania elektryczne.