как создать магнитное поле на марсе
Илон Маск: колонистов на Марсе защитят локальные генераторы электромагнитного поля
Концепция марсианского магнитного щита в точке Лагранжа L1, которая находится на расстоянии примерно 320 радиусов Марса. Иллюстрация: NASA/J.Green
Илон Маск (директор компании SpaceX) в своём твиттере предложил защитить колонистов на Марсе локализованными генераторам электромагнитного поля. Эту фразу он бросил в ответ на критическое замечание, что поселение с людьми невозможно развивать на планете без магнитосферы. Илон Маск тогда и сказал про генераторы.
Тут же развернулась дискуссия насчёт технической реализуемости такого решения.
Кто-то вспомнил, что раньше похожую идею предлагали специалисты NASA, но только для защиты всего Марса целиком. Концепция генератора магнитного поля обсуждалась на конференции Planetary Science Vision 2050 Workshop, которую организовал отдел NASA Planetary Science Division в феврале-марте 2017 года.
Магнитный щит
Концепция предполагает установку магнитного щита в точке Лагранжа L1 для защиты марсианской атмосферы от солнечного ветра и космического излучения.
Согласно научному консенсусу, когда-то у Марса было магнитное поле, которое защищало атмосферу. Примерно 4,2 миллиарда лет назад магнитное поле внезапно исчезло, что вызвало медленное рассеяние атмосферы Марса. В течение следующих 500 миллионов лет Марс превратился из тёплой и влажной среды в холодное и непригодное для жизни место, известное нам сегодня.
Эта теория подтверждена орбитальными аппаратами, такими как Mars Express от ESA и Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN Mission (MAVEN) от от NASA, которые изучают марсианскую атмосферу с 2004 и 2014 годов, соответственно. Они собрали доказательства, что солнечный ветер виноват в потере атмосферы Марса — и измерили скорость, с которой атмосфера по-прежнему теряется сейчас. Сейчас плотность марсианской атмосферы составляет примерно 1% от земной, а потеря ионов частично компенсируется вулканической активностью.
Понятно, что без атмосферы Марс останется холодной и сухой планетой, и там трудно будет развить нормальную жизнь. Кроме того, и первые колонисты, которых туда планируют отправить в 2030-е годы, столкнутся с серьёзными опасностями. В первую очередь это радиационное облучение и опасность задохнуться в отсутствие кислорода.
Ведущий автор научной работы Джим Грин, директор отдела планетарных наук НАСА, с коллегами представили на конференции амбициозную идею. По сути, они предлагают расположить магнитный дипольный щит в точке Лагранжа L1. Он сформирует искусственную магнитосферу, которая охватит всю планету, защитив её от солнечного ветра и космического излучения.
Грин с коллегами признают, что идея звучит немного «причудливо», но она подтверждается последними исследованиями миниатюрных магнитосфер (для защиты космических аппаратов и их экипажей). Авторы считают, что в будущем можно соорудить «надувную конструкцию», которая будет индуцировать магнитный диполь на уровне 1 или 2 Тесла (от 10 000 до 20 000 Гауссов) в качестве активного щита против солнечного ветра. Для сравнения, современные системы магнитно-резонансной томографии в больницах на Земле индуцируют магнитное поле 1,5−3 Тесла, то есть такой щит — не фантастика.
Расположение этого магнитного щита обеспечит экранирование двух областей, где теряется основная часть атмосферы Марса: над Северным полюсом и в экваториальной зоне с сезонной потерей ионов кислорода до 0,1 кг/с. Ряд симуляций в Coordinated Community Modeling Center (CCMC) подтвердил, что идея жизнеспособна.
Эффект щита
Такой щит позволяет накопить атмосферу с увеличением её средней температуры примерно на 4 °C. Этого достаточно, чтобы растопить лёд из углекислого газа в Северной полярной ледяной шапке. Следствием станет парниковый эффект, который ещё больше согреет атмосферу и приведёт к таянию водяного льда в полярных шапках. По расчётам Грина с коллегами, результатом операции станет восстановление 1/7 океанов Марса — тех, которые покрывали его миллиарды лет назад.
Удивительно, но эффект от одного магнитного щита совпадает с эффектом от полноценного терраформирования Марса.
Марс после терраформирования. Изображение: Ittiz/Wikimedia Commons
Такая трансформация после 2040-х годов позволит выращивать растения на открытом воздухе, размещать на поверхности больше оборудования, проще добывать кислород и т. д. В перспективе она открывает путь для полноценной колонизации Марса. Сейчас учёные работают над новыми симуляциями, чтобы дать более точную оценку, сколько времени займут прогнозируемые изменения. Также есть смысл рассчитать стоимость такого магнитного щита.
Возможно, именно эту идею имел в виду Илон Маск, когда говорил о локализованных генераторах электромагнитного поля. Или он имел в виду портативный генератор магнитного поля, который устанавливается прямо на поверхности Марса или на орбите, чтобы защитить только локальную колонию? Идея та же, только менее масштабная.
Кроме генератора магнитного поля в точке Лагранжа, учёные высказывали ещё одну идею (см. научную работу 2008 года): опоясать планету сверхпроводящими кабелями. На иллюстрации ниже показана схема такого проекта для Земли.
Самый длинный из кабелей длиной 40 000 км массой 15 млн тонн с охлаждением жидким азотом будет генерировать магнитное поле 7,1 Тесла.
Впрочем, этот проект кажется ещё более необычным и трудным в реализации.
Реализуемость
На самом деле для защиты от солнечного ветра достаточно очень слабого магнитного поля, как на Земле (25−65 мкТл у поверхности, на порядок меньше, чем у холодильника).
Как уже отмечалось, индуцировать 1−2 Тесла в районе марсианского щита не является такой большой проблемой. Но возникает вопрос: какой источник энергии использовать для магнитного щита? Может быть, разместить в точке Лагранжа несколько спутников с ядерными генераторами? Опять же, если сравнивать с МРТ-системами, то потребляемая мощность высокопольного МРТ со сверхпроводимым магнитом составляет до 35 кВт. Вероятно, нужно ещё топливо для маневровых двигателей, чтобы станция со щитом сохраняла точное положение в точке L1.
Для локального генератора понадобится меньшая индукция и меньшая потребляемая мощность, так что предложение Илона Маска кажется вполне реализуемым.
Магнитный щит для Марса: сработает ли идея NASA по терраформированию красной планеты?
Марс как возможное место существования жизни вне Земли, пожалуй, привлекает наибольшее внимание среди всех небесных тел. Этому способствовало и открытие каналов на Марсе в конце ХIХ века, и последующая «реклама» многих писателей-фантастов, а позднее, со второй половины ХХ века, и научные данные об условиях на поверхности этой планеты. Конечно, никаких, описывавшихся в фантастических романах, построек или растений, найдено не было, но даже научные данные показывают: по сравнению с Луной или Венерой Марс — «очень даже ничего».
Что мы имеем на поверхности Венеры? Температура около 500°C, давление около 100 атм, спускаемые аппараты со специальный защитой в такой среде живут не более нескольких десятков минут. На Луне: атмосфера отсутствует, из-за этого температура на дневной поверхности — плюс 100-150°C, во время двухнедельной ночи — столько же со знаком минус. Чтобы пережить такую ночь, нужны атомные источник энергии для подогрева (так называемый РИТЭГ — радиоизотопный термоэлектрический генератор).
Главное же, что внушает оптимизм в смысле возможности длительного существования на Марсе, — наличие воды (льда) в очень больших количествах. Вода — это главный расходуемый ресурс при полетах человека в космос. С помощью электричества из воды можно получить кислород, нужный для дыхания, и водород, используемый как топливо.
Главная опасность для человека — космическая радиация. Рельеф и грунт на Марсе вполне позволяют зарыться на несколько метров и таким образом защититься от нее, хотя на поверхности надолго появляться не рекомендуется. В сумме – при желании на Марсе можно относительно неплохо устроиться по сравнению с другими внеземными вариантами.
А чем может быть интересен Марс? По одной из гипотез, в первые несколько сотен миллионов лет своего существования Марс обладал более развитой атмосферой, а значит был, скорее всего, более теплым и на нем тоже могла появиться жизнь. Правда, вряд ли она бы успела развиться до чего-то более или менее заметного: на Земле, например, первые несколько миллиардов лет существовали только самые примитивные одноклеточные. В современных условиях можно ожидать найти либо окаменелости, либо, если очень повезет, чудом выжившие отдельные колонии опять же одноклеточных организмов. Открытие внеземной жизни и ее сравнение с земным вариантом даст науке информацию о механизмах эволюции, значение которой переоценить невозможно, — это будет настоящий прорыв в понимании места и роли нашей цивилизации в космосе. Например, сразу можно будет проверить гипотезы о заселении Земли с Марса или наоборот. А вдруг марсианская жизнь будет вовсе не на белковой или аминокислотной основе.
По совокупности всех причин Марс и притягивает наше особое внимание, даже сейчас, когда мы точно знаем, что писатели-фантасты были не правы. Например, число космических проектов по исследованию Марса сейчас больше, чем спутников, запускаемых к Луне. На горизонте и полет человека на Марс, ставший одним из основных маяков, к которым стремится человечество в космосе.
К сожалению, это сделать гораздо сложнее, чем слетать на Луну. От повторения американской высадки на Луну человечество удерживает только финансовый вопрос, технически это вполне в пределах досягаемости. Для полета же на Марс надо вывести на орбиту на порядок большую массу, чем для полета на Луну, — несколько сотен тонн. Это связано с тем, что для разгона и торможения у Марса, и для возврата нужно гораздо больше топлива. Есть и проблемы с надежностью. При полете на Луну космический корабль не выходит из пределов зоны притяжения Земли, и, случись что не так, вернуться обратно почти всегда возможно. При полете по межпланетной траектории все строго наоборот, один неверный маневр и «давай, до свидания». В сумме, при нынешнем развитии цивилизации возможен только разовый полет «на недельку» и то лет через двадцать, а многие специалисты считают, что и это недостижимо — надо ждать «фотонных двигателей» или «подпространственных туннелей».
Ввиду вышеизложенного, все, о чем пойдет речь ниже — чистой воды научная фантастика, но всё-таки научная. Итак, предлагается посмотреть на Марс как на вторую планету для нашей цивилизации. Можно отселить туда добровольцев или обустроить ее «про запас», на случай какой-нибудь космической катастрофы с Землей (главное только, чтобы при этом Марс не «зацепило»!). Хотя Илон Маск и обещает отправлять людей на Марс тысячами, представляется все-таки, что это больше рекламный ход, так что рассмотрим более реалистичные варианты. Тут и возникает идея терраформирования.
Терраформирование нужно, чтобы земные колонисты встретили на планете более подходящие условия жизни. Этот термин впервые появился в научной фантастике и означает создание на каком-либо небесном теле среды, похожей на земную. Вариантов много: от каких-то куполов на поверхности до изменения всего климата и ландшафта планеты. Предлагается воздействовать на Марс так, чтобы атмосфера стала плотнее, радиация уменьшилась, а температурные перепады вошли в земную норму. Простейший способ — растопить углекислоту в полярных шапках, тогда атмосфера «раздуется» и потеплеет из-за парникового эффекта. Дальнейшее развитие событий зависит только от нашего воображения: растает и водяной лед, наполнятся океаны и потекут реки, а расплодившаяся флора начнет перерабатывать углекислоту в кислород.
Вопрос в другом — хватит ли «сил» на раскрутку такого сценария? Вообще говоря, региональное воздействие на климат земная цивилизация освоила довольно давно и обычно — с негативными последствиями. В античные времена вырубка лесов в Сахаре привела к опустыниванию, а сегодня огромные водохранилища и мегаполисы вызывают вполне заметное локальное потепление.
Но в планетарном масштабе, конечно, это невозможно, у человечества просто не хватит энергии на управление процессом (причем «не хватит» с оглушительным разрывом). Итак, в лучшем случае, можно рассчитывать только на толчок, после которого события будут развиваться сами по себе, будем надеяться, в предсказанном и нужном нам направлении.
Основная концептуальная проблема, однако, даже не в том, как «толкнуть», а в том, что у нас нет никаких гарантий, что процесс пойдет дальше правильным путем. На Земле объединенная система «атмосфера-гидросфера-биосфера», от которой зависит климат, настолько сложна, что ее реалистичное моделирование не представляется возможным. Имеется огромное количество малых взаимодействующих факторов, каждый из которых слишком мал сам по себе, но изменение любого может привести к радикальным последствиям (есть даже такой термин — «эффект бабочки», возникший по аналогии с известным рассказом Рея Бредбери). Венера — тому пример. Представляется, что на ее поверхности не должно быть сильно жарче, чем на Земле, однако неконтролируемый парниковый эффект разогрел ее до 500°C и возврат назад стал практически не возможен.
Подумаем, как организовать процесс наиболее естественным путем, без атомной бомбы. Вот здесь и появляются на сцене коллеги из НАСА. Кстати, замечу, что автор идеи Джим Грин — один из научных чиновников НАСА, и это его личная идея, а вовсе не официальное мнение администрации. Если у планеты нет магнитного поля (Марс — именно такой случай), то солнечный ветер — поток плазмы, летящий от Солнца, — «сдувает» верхние слои атмосферы, делая ее слабее. Считается, что именно так потерял свою атмосферу Марс (есть некоторые возражения против такой теории, но сейчас мы не будем её оспаривать). Предлагается защитить Марс магнитным полем наподобие земного, тогда солнечный ветер будет обтекать Марс на расстоянии и атмосфера не будет эродировать. А поскольку поверхность планеты (горные породы, льды) «немного газит», она начнет постепенно расти, что нам и нужно.
Создание магнитного поля на самой планете, очевидно, выглядит достаточно затруднительной затеей: надо опутать всю планету проводами. Поэтому предложено разместить источник магнитного поля перед планетой в потоке солнечного ветра. Есть такая условная точка (точка либрации) на прямой, соединяющей планету и Солнце, где воздействие всех гравитационных сил сравнивается и космический аппарат как бы зависает (при минимальных затратах топлива), не уходя ни на межпланетную траекторию, ни на орбиту вокруг планеты. В околоземных точках либрации сейчас находятся несколько спутников, наблюдающих за солнечным ветром и несколько астрономических телескопов, так что эта часть проблемы вполне освоена. Магнитное поле, «надутое» немного «выше по течению» перед Марсом, как бы накроет планету.
К сожалению, проблем в этой идее видно сразу же больше, чем преимуществ. Во-первых, важна не величина магнитного поля сама по себе, но и размер зоны, занимаемый полем, у планет эта зона называется магнитосферой. Чтобы создать магнитное поле, равное земному, в одной точке достаточно и школьного магнита, но чтобы создать магнитосферу Земли, нужно что-то гораздо большее. Физическая характеристика, определяющая размер магнитосферы, называется магнитным моментом. Он равен силе тока в витке провода, умноженной на площадь витка. У Земли она равна почти десять в 23-й степени Ампер на кв.м. Предлагаю каждому, владеющему элементарной геометрией и законом Ома, посчитать какой провод и какой ток будут нужны, чтобы воспроизвести магнитосферу. Остальным сообщим, что это совершенно недостижимо — от слова «совсем».
Во-вторых, и потери атмосферы под воздействием солнечного ветра, и ее восстановление естественным путем — это процессы, протекающие на «геологических» временах в миллионы и миллиарды лет. Нам это точно не подойдет, а никаких оснований ожидать «экспресс-обслуживания» нет.
В целом, это сообщение НАСА — скорее тщательно просчитанная пиар-акция, в деталях средний гражданин разбираться не будет, а невольное уважению к величию НАСА останется. Что же до существа вопроса, то для того, чтобы начать терраформирование Марса, уж точно придется подождать до появления «фотонных двигателей» или «подпространственных туннелей». Мое мнение — в то время Марс нам будет уже не слишком интересен, разве что в смысле ностальгического тура на родину Аэлиты.
Марс и магнитосфера. Планета, которую можно отремонтировать
Тема терраформирования Марса не один десяток лет относится к числу наиболее амбициозных планов человечества. Кажется, что марсианскую природу достаточно лишь немного «подправить», чтобы холодная планета бурь превратилась в жизнепригодный мир, расположенный в непосредственной близости от Земли.
Наряду с первоочередными задачами по увеличению концентрации кислорода и повышению температуры на Марсе требует решения еще одна проблема: восстановление марсианской магнитосферы. Дело в том, что на Марсе нет стабильного планетарного магнитного поля, хотя, остаточные магнитные поля на планете сохранились, особенно в южной части. Вопрос фатального влияния солнечного ветра на размагниченную планету подробно рассмотрен в научно-популярных источниках, в том числе, на Хабре. Поэтому читатели, уже интересовавшиеся проблемой марсианской магнитосферы, вполне могут пропустить обзор, расположенный прямо под катом, и переходить к самому интересному, в особенности, к инженерной части.
Обзор. Другая сторона солнечного ветра
Подходы к терраформированию Марса (приближению условий окружающей среды на нем к земным) постепенно детализируются и представляются все менее разрушительными и более «зелеными». В частности, Илон Маск, еще в 2015 году продвигавший идею о термоядерной бомбардировке Марса с целью вызвать на нем парниковый эффект, в 2019 году предлагал растопить марсианские льды при помощи системы орбитальных зеркал. Развивая эту идею, Роберт Зубрин и Кристофер Маккей рассуждали о 100-километровом цельном орбитальном зеркале. Тем не менее, сегодня считается, что даже всего льда с марсианских полярных шапок может не хватить для вызова парникового эффекта. Пытаясь поднять температуру на Марсе такими грубыми способами, мы бы боролись со следствиями, а не с причиной экологической катастрофы на этой планете. Причина продолжающегося истончения марсианской атмосферы заключается в выдувании ее солнечным ветром, а такая уязвимость атмосферы объясняется отсутствием у Марса постоянного магнитного поля. В далеком прошлом, 4,2-4,3 миллиарда лет назад Марс должен был обладать сильным магнитным полем, а последний период активного действия магнитосферы на Марсе относится, вероятно, к 3,7 миллиарда лет назад.
Наличие сильного магнитного поля у Земли объясняется действием токов (динамо) в жидком металлическом железоникелевом ядре планеты. Магнитное поле образует вокруг планеты так называемую «головную ударную волну», подобную той волне, что расходится от носовой части движущегося корабля, из-за чего солнечный ветер обтекает нашу планету с боков, не повреждая атмосферу.
Из-за того, что в период образования крупных марсианских равнин магнитное поле выключилось, атмосфера Марса оказалась беззащитна, и постепенно превратилась в тонкий слой углекислого газа с незначительными примесями, наблюдаемый сейчас.
О причинах исчезновения токов-динамо и постоянного магнитного поля на Марсе нет единого мнения. Среди возможных вариантов — исчезновение условий для конвекции жидкого металла в ядре, вызванное чрезмерным охлаждением планеты. Также затухание динамо могло быть вызвано внешним воздействием, например, ударом астероида – эта гипотеза называется «импактной». Интереснейший анализ подобных гипотез содержится в статье Виталия Егорова (Зеленого Кота) «Нужно ли Марсу магнитное поле?», опубликованной на Хабре в 2015 году. Автор развивает идею о том, что потеря магнитного поля не является решающим фактором потери атмосферы, приводя в качестве контрдовода пример Венеры, чья атмосфера исключительно плотная, а магнитное поле — слабое. Потеря глобального магнитного поля на Марсе связана с малой массой планеты, либо с совокупностью воздействия солнечного ветра, импактных (ударных) и гидрофизических факторов. Рекомендуем подробно ознакомиться с этой статьей, а здесь приведем лишь важнейшую из ее иллюстраций, где в табличном виде представлены возможные причины исчезновения или истончения атмосфер у различных тел в Солнечной Системе.
Магнитосфера Марса. Нынешнее состояние
Чтобы изучить, почему Марс потерял свою атмосферу и продолжает ее терять, в 2014 году NASA запустило к Марсу зонд MAVEN (аббревиатура расшифровывается как «Эволюция атмосферы и летучих веществ на Марсе»). Отметим, что аппарат, запущенный 18 ноября 2013 года, чуть не попал под сокращение финансирования, из-за чего запуск мог быть отложен на 2016 год. Тем не менее, в сентябре 2014 года MAVEN успешно достиг Марса и стал его искусственным спутником. Четыре основные задачи проекта формулировались следующим образом:
Определить влияние потерь газов на климатические изменения Марса в настоящее время и в прошлом.
Определить текущее состояние верхних слоев атмосферы и ионосферы Марса и взаимодействия их с солнечным ветром.
Определить темпы потери атмосферы, а также факторы, влияющие на этот процесс.
Определить соотношения стабильных изотопов в атмосфере Марса.
Именно MAVEN показал, что остатки магнитного поля Марса вытянулись за планетой, образовав у нее своеобразный магнитный хвост. Само это открытие особенно интересно тем, что позволило подтвердить и детально описать механизм магнитного пересоединения Марса, непосредственно провоцирующий улетучивание остатков марсианской атмосферы в космос. В целом же MAVEN дал толчок новейшим исследованиям собственного магнитного поля на Марсе.
Реликтовое магнитное поле на Марсе
После того, как на Марсе исчезло глобальное магнитное поле, планета осталась покрыта «лоскутным одеялом» локальных областей, проявляющих магнитные свойства. Эти небольшие магнитные поля возникают под действием минералов и пород, рассеянных на поверхности планеты.
Некоторые регионы планеты обладают более сильными магнитными полями, нежели другие, но это, вероятнее всего, связано с повышенным или пониженным содержанием магнитных минералов в том или ином регионе, то есть, пород, которые могли испытывать влияние древнего магнитного поля. В целом магнитные поля в северном полушарии Марса слабее, а в южном – сильнее.
Три крупных ударных бассейна в северном полушарии Марса — Эллада, Исида и Аргир — не проявляют признаков магнетизма, что также может объясняться малым содержанием магнитных пород на этих территориях. Предполагается, что в процессе ударных катаклизмов и образования этих бассейнов значительные объемы магнитных пород и содержащихся в них минералов могли быть испарены в результате столкновений и сопутствующих взрывов. При этом необходимо оговориться, что измерения магнитных полей марсианской коры производятся с орбиты, поэтому могут быть неполны; экспедиции на поверхности планеты, возможно, позволят зафиксировать более слабые магнитные поля и составить более полную карту.
Итак, магнитосфера марсианских горных пород представляет собой остатки древнего магнитного поля. Магнитное динамо в мантии Марса исчезло не позднее 3,7 миллиарда лет назад. Подробнее о хронологии существования марсианского динамо рассказано в этой статье. Впрочем, здесь следует упомянуть и о роботе InSight, который начал работу на поверхности Марса в ноябре 2018 года. Аппарат предназначен, прежде всего, для изучения толщины, состава и структуры коры Марса, а также получения данных о его мантии, ядре и сейсмической активности. Именно InSight показал, что магнитные поля на поверхности Марса вдесятеро сильнее, чем считалось ранее. Он обнаружил и некоторые другие интересные детали, в частности, суточные флуктуации активности марсианского магнитного поля и магнитные импульсы, чья природа пока остается невыясненной. Считается, что зафиксированные InSight магнитные явления на поверхности планеты также связаны с воздействием солнечного ветра.
Поэтому гораздо более пристального внимания заслуживает индуцированная магнитосфера Марса, возникающая в результате взаимодействия марсианской ионосферы с солнечным ветром. О существовании магнитных полей в непосредственной близости от верхних слоев марсианской атмосферы сообщалось еще в статье Долгинова и др., опубликованной в 1972 году по результатам экспедиций «Марс-2» и «Марс-3». Дальнейшие исследования магнитослоя в марсианской ионосфере были проведены при помощи последней советской марсианской миссии «Фобос-2» Но значительно более точные данные об этом магнитослое (в англоязычной литературе употребляется термин «magnetosheath») были получены благодаря работе MAVEN и изложены в статье Робина Рамстада и др. из университета штата Колорадо.
Индуцированные магнитосферы образуются вокруг проводящих ненамагниченных планетарных объектов, в частности, в ионосферах Марса, Венеры, Титана, Плутона и комет в ходе электродинамических взаимодействий намагниченной плазмы с частицами солнечного ветра. Токи, возникающие при этом, приводят к взаимодействию ионосферы и плазмы, тем самым помогая понять роль солнечного ветра в нагревании, выдувании и эволюции планетарных атмосфер.
По итогам пятилетней работы зонда MAVEN удалось картировать индуцированную магнитосферу Марса, обнаружив в процессе этой работы взаимодействие ионосферы и головной ударной волны, асимметрию в конфигурации атмосферных электрических полей, а также искривление токов в верхних слоях атмосферы Марса. Также был обнаружен пограничный регион между ионосферой Марса и его магнитослоем.
Соответственно, восстановление защиты Марса от пагубного воздействия солнечного ветра целесообразно начинать именно с ионосферы. В 2017 году специалист NASA Джим Грин предположил, что для реставрации марсианской атмосферы и предохранения ее от воздействия солнечного ветра можно расположить магнитный щит на марсианской орбите в точке Лагранжа, где притяжение Марса и притяжение Солнца имеют равную величину и, следовательно, такой щит будет оставаться стабилен. На Хабре есть обзорная переводная статья с обоснованием этого проекта и видео с выступлением Грина на конференции Planetary Science Vision 2050, где была высказана эта идея. Из статьи стоит скопировать и пояснить ключевую иллюстрацию:
На иллюстрации показана форма магнитного хвоста (остатки магнитного поля Марса, взаимодействующие с солнечным ветром, о чем было рассказано выше), а также расположение самого Марса, магнитного щита в точке Лагранжа L1, магнитослоя и магнитопаузы. Как показано на этой схеме, магнитный щит Марса призван уменьшить выдувание атмосферы солнечным ветром, обеспечить новое равновесное состояние атмосферы и уменьшить количество жесткой солнечной радиации, достигающей поверхности Марса.
На сайте phys.org сообщается, что Джим Грин и его коллеги проводили компьютерные симуляции, позволяющие примерно оценить работоспособность такого устройства. Грин заостряет внимание на непосредственной пользе подобной конструкции. Магнитный щит способен привести к утолщению марсианской атмосферы и парниковому эффекту, который позволит перевести в жидкое состояние до 1/7 того объема воды, что имелся на Марсе 4,2 миллиарда лет назад, в период активности его магнитного динамо. Тем не менее, официальные данные о технических характеристиках подобного устройства весьма скудны. На Хабре есть публикация с описанием конструкции и реализуемости дипольного магнитного щита, который мог бы располагаться в точке Лагранжа и генерировать магнитное поле силой 1-2 тесла. Поэтому в заключительном разделе этой статьи было бы логично и интересно привести выдержки из статьи «Giving Mars a Magnetosphere», опубликованной 28 февраля 2018 года и содержащей обоснованные выкладки о том, как мог бы выглядеть подобный щит.
Искусственный магнитный щит Марса: технические характеристики
Марсианская точка Лагранжа расположена на расстоянии около 1 миллиона километров от Марса. С поправкой на компенсацию сильных солнечных вспышек можно предположить, что будет достаточно расширить искусственное магнитное поле на расстояние 1,5 млн километров от планеты.
Также следует учитывать, что интенсивность солнечного ветра на марсианской орбите значительно ниже, чем на расстоянии одной астрономической единицы от Солнца (т.е. на расстоянии от Солнца до Земли). Таким образом, для защиты Марса от солнечного ветра достаточно получить магнитное поле примерно вдвое слабее, чем понадобилось бы для защиты Земли. Учитывая оба этих фактора, понадобится сгенерировать вокруг Марса магнитное поле всего в 11% от силы естественного магнитного поля Земли, и минимальный радиус магнитослоя вокруг Марса составил бы всего 500 000 километров.
Согласно уравнению величины магнитного поля, можно высчитать силу тока «провода», необходимого для генерации такого магнитного поля. Получается ток силой около 200 мега-ампер.
Соответственно, это будет провод колоссального размера. Чтобы сделать его как можно компактнее, необходимо как можно сильнее уменьшить рабочее напряжение этого провода и, следовательно, его сопротивление. Чтобы добиться минимального сопротивления, нужно подобрать минимальную длину провода, при этом обеспечив для него максимальную площадь поперечного сечения. Отметим, что сопротивление проводника можно было бы снизить, изготовив его из сверхпроводящего материала, но технически наиболее доступной конфигурацией представляется плоская медная катушка, намотанная настолько плотно, что отверстие в ее центре будет как можно уже. При этом отверстие в центре катушки необходимо оставить, так как при его отсутствии в катушке возникнут контрпродуктивные обратные токи, и ее сопротивление будет чрезмерно сильным.
Дальнейшие выкладки из упомянутой статьи выходят за рамки данной публикации, но ее все-таки будет интересно прочесть целиком – в частности, чтобы познакомиться с ориентировочными характеристиками космического корабля, необходимого для реализации всего проекта.
Итак, генерация искусственного магнитного поля для Марса представляется несравнимо более осуществимой задачей, чем восстановление естественного. Кроме того, это был бы значительно более щадящий и эффективный (в долгосрочной перспективе) метод терраформирования, чем термоядерная бомбардировка или развертывание орбитальных зеркал, предложенные Илоном Маском. Остается с интересом следить, возможна ли при в обозримом будущем практическая реализация подобных планов.