Можно ли использовать магнитное поле земли для полетов

Наверняка многие из вас смотрели фильм Звездные Войны, так вот там транспорт левитировал над поверхностью без каких либо усилий и приспособлений. Вы никогда не задумывались, возможна ли левитация в реальном мире? В этой статье я расскажу вам, каким образом сейчас реализуется магнитная левитация на данный момент.

yandex.ru

Что такое магнитная левитация

Ну, а для начала давайте узнаем, что скрывается под термином Левитация. Итак, Левитация – это преодоление гравитации, в результате чего объект имеет статическое положение в пространстве при этом не имея опоры на твердую или жидкую поверхность.

А магнитная левитация — это технология, за счет которой происходит подъем объекта магнитным полем, когда для компенсации гравитационного воздействия применяется магнитное воздействие на объект.

На сегодняшний день существуют четыре варианта реализации магнитной левитации, а именно:

1. Электромагнитная левитация с отслеживающей системой.

2. Диамагнитная левитация.

3. Левитация магнита над сверхпроводником.

4. Левитация под воздействием вихревых токов.

Давайте поговорим о каждом виде подробней.

Электромагнитная левитация с отслеживающей системой

yandex.ru

Такой вариант электромагнитной левитации широко используется в сувенирной продукции. Так, например, довольно необычно выглядит глобус, который парит в подставке. А реализован такой вариант левитации следующим образом:

В подставке закрепляется электромагнит, который соединен в общую цепь с фотореле. При этом пока фотоэлемент не закрыт от источника света, электромагнит работает и тем самым притягивает к себе глобус, как только фотоэлемент закрывается от источника света, электромагнит перестает работать и глобус начинает падать.

Опустившись чуть ниже вновь открывается фотоэлемент, который вновь включает электромагнит и глобус вновь подтягивается.

Получается предмет не стоит на месте, а постоянно падает и опускается, но за счет того, что это происходит очень быстро, для человеческого глаза, кажется, что предмет просто подвешен в воздухе.

Диамагнитная левитация

yandex.ru

В природе существуют такие вещества как диамагнетики, оные намагничиваются против воздействующего на них электромагнитного поля. И при определенных условиях диамагнетик, например, кусочек графита, полностью вытесняет магнитное поле на внешние слои и буквально парит над неодимовыми магнитами, расположенными под ним.

При этом, чтобы стабилизировать положение графита магниты необходимо расположить в шахматном порядке. В таком случае стержень окажется в своеобразной ловушке из полей и будет левитировать.

Если взять небольшой неодимовый магнит с индукцией от 11 Тл, то его можно заставить левитировать буквально в ваших руках. Так как вода так же является диамагнетиком.

Достаточно освещен эксперимент с «летающей» лягушкой. Когда маленькое земноводное располагалось над магнитом с индукцией больше 16 Тл и буквально зависало над поверхностью на незначительном расстоянии от магнита.

yandex.ru

Сверхпроводник и левитация магнита – эффект Мейснера

Еще одной разновидностью магнитной левитации является так называемый эффект Мейснера. Суть данного эффекта заключена в следующем:

Берется пластина из иттрия-бария-меди и охлаждается с помощью жидкого азота. При такой сверхнизкой температуре метал становится сверх проводником. И теперь если положить сверху магнит с индукцией от 1мТл, то он будет левитировать. При этом чем выше будет индукция, тем на большую высоту поднимется магнит.

yandex.ru

Фишка этого эффекта заключена в том, что у сверхпроводника есть такое интересное свойство как выталкивание магнитного поля из сверхпроводящей фазы. И магнит, отталкиваясь от образованного магнитного поля обратной направленности, зависает в воздухе.

И этот процесс будет продолжаться ровно до того момента пока охлажденный металл не покинет фазу сверхпроводящего состояния.

Левитация и вихревые токи

yandex.ru

Вихревые токи или по другому – токи Фуко, которые наводятся в достаточно больших проводниках, переменным магнитным полем, так же вполне могут удерживать предметы в левитирующем состоянии.

Допустим, если взять катушку и разместить под ней замкнутый контур из алюминия, то, пропуская переменный ток через катушку, мы увидим как она будет парить над диском.

В этом варианте левитации используется закон Ленца. Согласно ему, создаваемый в катушке либо кольце ток создает такое магнитное поле, направление которого будет противодействовать силе, создавшей его. То есть в каждый момент времени в катушке или диске будет формироваться магнитное поле противоположного направления.

yandex.ru

Таким образом, предмет будет удерживаться в подвешенном положении пока включен переменный ток.

Данный же эффект наблюдается когда неодимовый магнит роняют в медную трубку. Магнитное поле индуцируемое в медной трубке противодействует магнитному полю магнита и тем самым замедляет его падение.

Заключение

Это все, что я хотел вам рассказать о магнитной левитации и вариантов ее реализации. Если статья оказалась вам полезна, то оцените ее лайком. Спасибо за ваше внимание!

Мини-магнитосфера прикрывает корабль Enterprise из вселенной «Звёздного пути» от солнечной радиации. Иллюстрация Rutherford Appleton Laboratory.

На сегодняшний день, за всё время космической эры, самыми продолжительными являются лунные экспедиции программы Apollo, во время которых астронавтам не приходилось на долго выходить из под влияния магнитосферы Земли, защищавшей их от воздействия солнечных и космических лучей. А между тем, именно воздействие солнечной радиации является основной препоной на пути к освоению дальнего космоса, чему на канале посвящены несколько очень интересных статей (о перелёте к Марсу и о возможности его освоения).

Как летали раньше?

Если говорить про астронавтов миссии «Аполлон», то им просто повезло, что все экспедиции пришлись на дни минимальной активности Солнца. Случайность вообще многократно играла решающую роль в деле освоения космического пространства. Так, если бы хоть одна из миссий пришлась на серьёзную вспышку, коих в те годы было достаточно, астронавты погибли бы, что немедленно привело бы к досрочному закрытию программы и, возможно, к ещё большей приостановке и без того небыстрого освоения космоса. С Международной космической станцией всё намного проще. Во-первых, магнитосфера её защищает не многим меньше, чем нас на поверхности. Во-вторых, её орбита находится в пределах атмосферы, пусть и сильно разреженной, но всё ещё оказывающей минимальную защиту. А на случай сильных вспышек у космонавтов и астронавтов есть возможность укрываться в отсеке с улучшенной изоляцией.

Крайне разреженный поток солнечного ветра движется со скоростью от 300 до 1200 км/с, что позволяет его частицам легко проникать сквозь стенки корабля, пронзая тела космических путешественников, повреждая их клетки и, что особенно опасно, ДНК. Основная же проблема заключается в том, что величина потока зависит от погоды на Солнце, поэтому в длительных межпланетных миссиях попасть в удачное «окно», как в случае с «Аполлонами», — не представляется возможным. Наращивание слоёв защиты приведёт к настолько сильному увеличению массы корабля, что его невозможно будет запустить с поверхности Земли, а доков на орбите у нас пока нет.

Даты полётов Apollo (голубые вертикальные линии с номерами экспедиций) и уровни потока протонов от Солнца (жёлтые вертикальные чёрточки). Нелинейная шкала справа — доза радиации в единицах REM. Горизонтальные линии отмечают уровни для сравнения: светло-жёлтая — средняя годовая доза на уровне Земли, жёлтая — годовая доза работников АЭС и других производств, связанных с радиацией, оранжевая — лучевая болезнь, красная — смертельная доза (иллюстрация NASA).

Так полетим или стоит забыть о покорении космоса?

Как и в любом другом деле, природа всё придумала за нас, нам бы подсмотреть и повторить, используя свой уникальный дар — интеллект. Раз уж магнитосфера отлично защищает планету от солнечной радиации, почему не повторить это с межпланетным кораблём? Сама идея о создании магнитного пузыря вокруг корабля была высказана лет 50 назад, во время максимального энтузиазма по поводу освоения космического пространства. Её, правда, задвинули, когда расчёты показали, что этот пузырь должен быть порядка 100 километров в поперечнике, чтобы оказаться достаточно эффективным для увода тяжёлых заряженных частиц от корабля.

Слева: простая стальная защита (или из иного плотного материала) недостаточна, даже при толщине в несколько сантиметров. Высокоэнергетические частицы солнечного ветра проникают сквозь неё либо производят вторичную радиацию. Справа: простое магнитное поле заставляет протоны и электроны закручиваться вокруг своих силовых линий. Это разнонаправленное вращение создаёт разделение зарядов, которое генерирует электрическое поле, в конечном итоге тормозящее ионы. Увы, для защиты корабля по такой схеме магнитное поле должно быть очень и очень сильным (иллюстрация Rutherford Appleton Laboratory).

И вот только 50 лет спустя международная группа учёных во главе с Рут Бамфорд (Ruth Bamford) из британской лаборатории Резерфорда и Эплтона (Rutherford Appleton Laboratory — RAL) решила вернуть разработку из мира фантастики в стан академической науки, разработав проект «Мини-магнитосферы» (Mini Magnetosphere). Учёные, пораскинув мозгами, пришли к выводу, что ни чистый магнитный барьер, ни чистая электростатическая защита или «голый» плазменный барьер не справились бы с задачей защиты космического корабля, и для этого необходимо создавать миниатюрный аналог магнитосферы Земли. Так, мини-магнитосфера сочетает в себе магнитное поле с плазменным барьером, контролируемым этим самым полем. Помимо этого специалисты учли и взаимодействие с магнитным полем Солнца, которое распространяется даже до Земли, и, как следствие, будет сопровождать космических путешественников на протяжении всего перелёта к Марсу.

С учётом взаимодействия всех ингредиентов (потока высокоскоростной плазмы от Солнца, плазмы в барьере вокруг корабля, магнитного поля Солнца и поля корабля, а также токов, наводимых в плазме) магнитный щит может генерировать компактную диамагнитную полость вокруг космического аппарата, в которую солнечные космические лучи проникать практически не будут (иллюстрации Rutherford Appleton Laboratory).

Учёным стало понятно, что подобный щит должен включать в себя все три активные защиты, рассмотренные ранее (плазменную, магнитное и электрическое поля). Ещё в 2008 году участники проекта провели компьютерное моделирование, показавшее, что магнитный пузырь с поперечником порядка всего сотни метров мог бы защитить экипаж от воздействия солнечной радиации, а затем подтвердили это экспериментально, с использованием прототипа мини-магнитосферного генератора.

Схема установки (иллюстрация Rutherford Appleton Laboratory).

Очень интересным является тот факт, что искусственная магнитосфера показала способность к саморегуляции, подобно магнитосфере Земли.

«Когда она получает сильный толчок от плазмы, пузырь становится меньше. Видео показывает, что по мере повышения давления «солнечного ветра» щит становится меньше, но при этом ярче», — рассказывает Рут Бамфорд.

Максимально подробно о том опыте рассказано в статье, опубликованной в журнале Plasma Physics and Controlled Fusion.

Несколько кадров опыта. Вверху: поток плазмы идёт слева. В ходе тестов учёные плавно меняли как энергию плазменного луча, так и положение защитного поля «корабля». Граница крошечной искусственной магнитосферы исправно смещалась в соответствии с балансом сил. Ударный фронт в месте резкого торможения плазмы визуализировался благодаря световой эмиссии, происходящей главным образом от взаимодействия плазмы с нейтральным газом (на врезке поток идёт справа). Внизу: вид на защитный пузырь сверху с наложением цвета, показывающего плотность плазмы (фотографии и иллюстрация Rutherford Appleton Laboratory).

P. S.

С момента появления первого прототипа прошло уже 10 лет. Бамфорд давала прогноз в 10-15 лет на то, чтобы создать установку, готовую к испытаниям, скажем, на МКС. Таким образом, если всё идёт по плану, в ближайшие несколько лет мы услышим об испытаниях нового образца генератора мини-магнитосферы. А за оставшееся время потребуется решить ещё целый ряд вопросов: максимально сократить размер и вес установки, а также увеличить её надёжность.

«Я не думаю, что установка сократится вплоть до всего лишь магнита для холодильника, закреплённого на внешней поверхности космического аппарата», — смеётся Рут.

Подписывайтесь на канал, чтобы первыми узнавать новости из мира науки, и делитесь ссылкой на него с друзьями в социальных сетях. За футболками и худи с крутейшими принтами вот в этот магазин. Ещё у меня есть канал в Telegram и уютный чатик для дискуссий на научные темы. Не забывайте делиться ссылкой на канал с друзьями. Спасибо, что читаете.

Предыдущие статьи цикла:

1. Освоение космического пространства. Предел связи.

2. Освоение космического пространства. Возможна ли колонизация далёких планет современными технологиями?