От космических ливней защищает магнитная броня

Кратки строчки сообщений ТАСС, долог путь к Марсу. Но еще более длителен и многотруден путь от лабораторных стендов до космодрома. Немало трудностей придется преодолеть, прежде чем человек выйдет на межпланетные трассы. И одной из самых серьезных забот ученых и инженеров является преодоление радиационной опасности.

Космос... Странный и холодный мир, где вечно черное небо испещрено немигающими звездами, где нет звука, нет воздуха, нет жизни. Но в этом мире бьет ключом иная жизнь — удивительная жизнь микромира. Словно из огнемета обстреливается межпланетное пространство струями огненной плазмы во время «капризов» нашего дневного светила. Холодную пустоту космоса пронизывают ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи. Грандиозными водопадами низвергаются из глубин вселенной протоны, электроны и другие ядерные частицы. Вся эта невидимая и неслышимая, но бурно кипящая «жизнь» микрокосмоса порождает смертельную опасность для космонавта, если не принять особых защитных мер.

Нелегко отгородить экипаж космического корабля от опасных излучений. Если использовать свинцовую броню толщиной 45 см, то вес ее для корабля, скажем, радиусом в 1 м составил бы 60 т, а радиусом 5 м — 1 500 т. А если сюда присовокупить еще вес топлива, запасов пищи, вес исследовательской аппаратуры, самого экипажа?

Правда, не обязательно прибегать к услугам тяжеловесной свинцовой или иной брони. Можно создать вокруг корабля электростатическое поле, которое невидимыми руками силовых линий будет отталкивать заряженные частицы — протоны с энергией в миллиарды электроновольт. Но какая обшивка выдержит тысячи, если не миллионы, киловольт? Да и как создать столь чудовищный потенциал? Впрочем, допустим, что нам удалось это сделать. Тогда при защите от протонов наше поле будет властно притягивать электроны. Слабосильные и немногочисленные скитальцы космического микромира, они, приобретя дополнительную энергию в миллиард электроновольт, обрушатся на корабль мощным потоком радиации. Нет, не годится для этих целей электростатическая защита.

Остается одна надежда — магнитное поле. Его создание вполне по плечу современной технике. Оно будет отбрасывать любые заряженные частицы «невзирая на лица». Но вот беда: вес гигантского соленоида, аппаратуры для его питания, наконец вес изоляции — все это значительно превзойдет вес обычной поглощающей защиты, скажем, из того же свинца. Где же выход?

В 1911 году голландский ученый Камерлинг-Оннес обнаружил удивительное явление. Некоторые металлы при температурах, близких к абсолютному нулю, скачкообразно теряли сопротивление. Это явление было названо сверхпроводимостью. Оказалось, что если возбудить в подобном сверхпроводящем контуре электрический ток, то он будет там циркулировать, не затухая, бесконечно долго. А что, если изготовить из сверхпроводников соленоид для создания защитного магнитного поля?

Эта идея оказалась чрезвычайно заманчивой. В самом деле, если ток в соленоиде будет циркулировать без потерь на преодоление сопротивления, то отпадет необходимость в питающей аппаратуре. Достаточно будет один раз «закачать» в соленоид ток, чтобы он затем, уже без посторонней помощи, практически бесконечно долго поддерживал нужное нам магнитное поле. Более того. Толщина сверхпроводника при одной и той же мощности магнитного поля существенно меньше, чем у обычного проводника. Значит, вес защитного соленоида значительно снизится. Впрочем, не только соленоида. Уменьшится и вес изоляции. Дело. в том, что в случае сверхпроводникового соленоида надобность в изолирующей прокладке между самим соленоидом и каркасом, на который тот намотан, начисто отпадает. Ибо по сравнению с сопротивлением сверхпроводника сопротивление обычных проводников бесконечно велико. Остается изолировать друг от друга только витки. При этом вовсе не требуются какие-то особые высококачественные изоляционные материалы. Напротив, изолятором может служить самый обыкновенный проводник, например медь. А раз хрупкие изоляторы можно заменить прочным и гибким металлом, то и вес изоляции можно также снизить. Но и это еще не все. Сверхпроводящий контур легче охлаждать в космосе, чем соленоид из обычного проводника. Казалось бы, парадокс, не правда ли?

Ведь для получения эффекта сверхпроводимости нужно охладить соленоид жидким гелием с помощью громоздкой аппаратуры. Да, это так. Но нам достаточно заморозить сверхпроводник лишь в самом начале работы. Потом космический холод будет автоматически поддерживать наш соленоид при достаточно низкой температуре. Ведь сверхпроводник, не имеющий омического сопротивления, не разогревается за счет циркулирующего в нем тока. Между тем для обычной обмотки космического электромагнита потребовалась бы дополнительная охлаждающая система. Наконец, чтобы уберечь сверхпроводящий контур от нагрева солнечными лучами, можно окрасить соленоид в белый цвет.

Расчеты показывают, что вес магнитной защиты, изготовленной из имеющихся уже сегодня сверхпроводниковых материалов, будет намного меньше веса свинцового или иного поглощающего экрана при том же объеме защищенного пространства. Но гораздо важнее другое. Усовершенствование поглощающей защиты — вещь принципиально невозможная, так как там эффективность экрана зависит от его толщины. Иное дело магнитная отклоняющая защита. Ее эффективность полностью определяется индивидуальными качествами используемых материалов —— как сверхпроводниковых, так и конструкционных. А эти качества, несомненно, в скором времени будут значительно улучшены. Итак, преимущества сверхпроводниковой магнитной брони для защиты космонавтов от радиации, исключая, конечно, рентгеновское и гамма-излучение, совершенно неоспоримы. Конечно, следует отметить, что эти преимущества не в достигнутых пока результатах, а в большой перспективности нового способа.

До недавнего времени недостатком сверхпроводников была их «боязнь» магнитного поля. Вся штука в том, что в сверхпроводниках электроны двигаются среди атомов металла парами, а не по отдельности.

Это объясняется тем, что обычное электрическое отталкивание между электронами благодаря особым свойствам кристаллической решетки сверхпроводников заменяется притяжением. Энергия такой пары гораздо меньше суммарной энергии партнеров. И этой энергии, в отличие от энергии одного электрона, не хватит, чтобы при столкновении пары с атомами вызвать их колебания. Таким образом, пары электронов не теряют свою энергию. Это и приводит к возникновению сверхпроводимости.

Почему же магнитное поле разрушает сверхпроводимость? Партнеры обладают антипараллельными спинами, то есть, грубо говоря, вращаются в разные стороны. Между тем магнитное поле старается ориентировать вращение всех электронов в одну сторону, стремясь «разлучить» партнеров. Вот почему даже сравнительно небольшое постороннее магнитное поле способно нарушить сверхпроводимость и превратить металл в обычный проводник. Да и собственное магнитное поле, возникающее при пропускании через сверхпроводник более или менее сильных токов, действует нарушающим образом.

Положение существенно изменилось за последние годы. На основе ниобия и некоторых других элементов теперь созданы специальные сплавы, способные выдерживать без утраты сверхпроводящих свойств колоссальные магнитные поля — в десятки и сотни тысяч эрстед. Эти сверхпроводники позволяют пропускать через каждый квадратный сантиметр своего сечения токи в сотни тысяч ампер. Пока еще неосуществленной мечтой ученых остается создание сплавов, которые обладали бы сверхпроводимостью при обычных температурах. Что ж, современные представления теоретической физики не налагают запрета и на такую перспективу.

Высокая интенсивность и большой объем поля, требующиеся в магнитной защите, создают некоторые необычные проблемы. Придется запасти «впрок» несколько миллиардов джоулей энергии, которая будет «закачана» в поле в момент пуска магнитной системы. Источник должен давать громадный ток — десятки, сотни тысяч ампер. Не исключено, что для этой цели удастся применить сам ракетный двигатель, работающий в режиме магнитогидродинамического генератора.

Создание поля может занять сутки и более. Между тем случайное нарушение части обмотки способно привести к моментальному высвобождению всей запасенной энергии. Длительность этого процесса составит тысячные доли секунды. Сверхпроводимость будет мгновенно нарушена во всей системе. Изменяющееся магнитное поле вызовет во всех проводниках, особенно в каркасе, громадные вихревые токи, что повлечет за собой повышение температуры на сотни градусов. В результате защитная система да и сам корабль расплавится, а частично и испарится. Как предотвратить такую катастрофу? Для этого катушки должны быть намотаны отдельными секциями. Каждая из них будет нести лишь часть общего тока.

Как видно, немало трудностей и проблем ждёт еще умелых рук и пытливого ума. Но нет ни малейшего сомнения в том, что наши космонавты на межпланетных трассах будут чувствовать себя столь же безопасно, как советские Магелланы космоса на околоземных орбитах.

Для межпланетного корабля сверхпроводниковая обмотка может быть выполнена в виде прямого соленоида. «Зонтик» из свинца перед носом корабля служит для защиты от метеоритных частиц и излучения, направленного вдоль оси соленоида. Для больших спутников и межпланетных станций целесообразна тороидальная обмотка. Чтобы избавиться от магнитного поля внутри корабля или станции, можно прибегнуть к внутренней экранирующей обмотке. Если пустить по внутренней обмотке ток в противоположную по отношению к внешней обмотке сторону, то внутри корабля магнитное поле будет равно нулю.

Вот как отбрасываются заряженные частицы магнитной защитой. На схемах видны траектории частиц, сначала врывающихся в магнитное поле, а затем — после того, как они сделают петлю, — упруго выталкиваемых из магнитного поля.