Простейший способ создать магнитное поле на Марсе⁠⁠

Текстовая версия видео:

Чтобы понять, какие способы создания магнитного поля на Марсе сложные, а какие попроще, надо кратко рассмотреть все способы создания магнитного поля на Красной планете. Их немного, грубо говоря – всего три, но можно еще выделить подкатегории, различные модификации этих способов. Будем двигаться от самого сложного к самому простому.

Самый сложный и безумный способ – разогреть ядро Марса на тысячу-две градусов Цельсия больше, чем сейчас, а дальше различные силы Кориолиса, конвективные потоки и прочие механизмы теоретически запустят магнитное динамо внутри Марса, что создаст магнитное поле подобно тому, как это происходит на Земле.

Да это даже звучит страшно – «разогреть ядро Марса», а реализация такого плана – полная фантастика. Но да ладно, фантазировать не буду, сразу перейду к конкретике: специалистами в данной теме было подсчитано, что для этого требуется 10^26 джоулей энергии. Чтобы немного визуализировать эти цифры, добавлю, что согласно расчётам тех же ученых, это энергия, выделяемая примерно 100 миллиардами термоядерных бомб мощностью в одну мегатонну. Самая мощная бомба в истории имела мощность около 50 мегатонн, то есть надо аж целых 2 миллиарда таких бомб как-то доставить и взорвать прямо в ядре Марса, чтобы нагреть его до нужной температуры для «включения» магнитного поля.

Конечно, доставить эту энергию ядру можно и по-другому, взрывы термоядерных бомб внутри Марса это просто один из способов, но зато наглядно демонстрирующий, какую работу надо проделать. Более того, неизвестно, сработает ли эта идея, запустит ли это магнитное поле и на какое время. Может подобные игры в нагрев ядра приведут к катастрофическому вулканизму или к другим неприятным последствиям. В общем сами понимаете, сделать подобное даже в далеком будущем просто невозможно, поэтому переходим к способу номер 2.

Вы, наверное, помните со школы опыты, что стрелка компаса отклоняется вблизи проводника, в котором течет ток. Это происходит из-за простого факта, что при протекании тока через проводник, в пространстве вокруг него возникает магнитное поле. Проводник с током становится магнитом. Чтобы понять дальнейшую часть видео, надо вспомнить немного о силовых линиях магнитного поля. Так вот, в случае прямолинейного проводника, силовые линии магнитного поля представляют собой окружности с центром на оси проводника:

Легко визуализировать это можно с помощью правой руки, как показано на картинке – большой палец показывает направление тока, а остальные пальцы показывают силовые линии магнитного поля:

Вот как будут выглядеть силовые линии в случае проводника, скрученого в петлю (это понадобится потом, постарайтесь запомнить):

А вот что будет, если проводник замкнуть в кольцо, и пустить по нему ток:

Этот случай очень напоминает магнитное поле Земли, правда? Это называется магнитным диполем, примеров есть много и тут можно четко выделить полюса.

Примерно такую конфигурацию можно использовать для создания искусственного магнитного поля на Марсе. То есть – обогнуть Марс проводником образуя кольцо и пустить по нему ток:

Экваториальная окружность Марса примерно в два раза меньше земного – 21 тысяча километров, это не так много, учитывая, что кабеля для интернета проложенные под морями и океанами имеют общую длину, составляющую что-то там больше миллиона километров. Но на самом деле с этим способом не все так просто и некоторые проблемы неочевидны. Самая очевидная проблема – нехватка мощности. Само магнитное поле, например Земли, очень слабое, конкретно – в среднем примерно 0.5 гаусса. Для сравнения, сила обычного магнита составляет около 100 гауссов, а неодимового – больше 10000 гауссов. Но зато площадь магнитного поля Земли сверхогромна, чтобы создать похожее на Марсе, даже несмотря на его меньший размер, в магнитном поле должна содержаться энергия порядка 10^17 джоулей, а это значит, что ток в таком проводнике окружающим Марс должен быть силы порядка гигаампер. Выдерживать такое смогут только сверхтолстые провода, даже если заменять их соленоидами, сверхпроводниками или распределять нагрузку создавая несколько петель, по типу катушек Гельмгольца, все равно это требует абсурдно огромного количества энергии, поддержание магнитного поля таким способом можно сравнить с энергией, которую потребляет все человечество за год.

Другие проблемы, это то, что из-за этого способа на поверхности Марса сила магнитных полей будет так огромна, что будет угрожать жизнедеятельности колонизаторов и инфраструктуре вообще. Если создать поле слабее, то возникает другая проблема – солнечный ветер будет вдавливать его в атмосферу, а это еще хуже, чем вообще без магнитного поля, так как по силовым линиям вдавленного поля будут ускоренно убегать молекулы составляющие атмосферу.

Есть выход – разместить всю конструкцию в космосе. Это значительно уменьшит расход энергии нужной для поддержания магнитного поля, так как само поле можно будет сделать не таким сильным, как на поверхности. Конечно, масса такой конструкции будет сверхогромна, но считается, что к моменту, когда человечество начнет колонизировать и терраформировать Марс, появятся новые технологии и материалы, либо станут широкодоступными материалы, которых сейчас производят в малых количествах. По расчётам авторов этой работы, если использовать углеродные нанотрубки, то масса конструкции составит около 10 тысяч тонн. Для питания нужна будет станция, мощностью несколько гигаватт, это сравнительно немного, например Китай объявил о планах построить гигаватную станцию в космосе.

Правда есть еще проблема в том, где именно разместить всю конструкцию – Марс создает немного ассиметричный гравитационный потенциал из-за неоднородностей в массе, поэтому орбиты вокруг него более нестабильные чем вокруг Земли. Учеными рассматривался вариант разместить все эти катушки и станции в первой точке Лагранжа, это может еще больше уменьшить размер необходимой конструкции, но в случае Марса эта точка тоже достаточно нестабильная, а из-за большого расстояния от этой точки до Марса конфигурация такого искусственного магнитного поля может не давать нужной защиты.

В общем это все можно реализовать в обозримом будущем. Но мы переходим к простейшему способу.

Ток – это движение любых частиц, имеющих электрический заряд. И эти движущиеся частицы порождают магнитное поле.

Летит себе какой-то электрон в полном вакууме и порождает вокруг себя магнитное поле. Догадываетесь уже в чем дело? Не надо никакого проводника – достаточно пустить заряженные частицы по орбите вокруг Марса и это создаст магнитное поле, которое защитит Марс от солнечной радиации. Все гениальное -- просто.

Но как именно это сделать? Вы, наверное, видели, как с разных поверхностей лазером удаляют различные краски, ржавчину и так далее, этот процесс называется «лазерная абляция», так вот -- стертый с поверхности материал превращается в плазму. Плазма – это ионизированный газ, то есть она состоит из заряженных частиц и собственно поток этих частиц и есть электрическим током. (Но вообще, обычно плазма электронейтральна, так как состоит из положительно и отрицательно заряженных частиц, но по ней можно пустить ток множеством способов) Так вот. Ставим такие лазеры на Фобос, спутник Марса, и просто испаряем его поверхность лазерной абляцией, превращая породу, из которой он состоит, в плазму. Скорость убегания частиц с Фобоса практически нулевая, поэтому вслед за ним будет выбрасываться хвост плазмы. Период вращения вокруг Марса составляет 7 часов 39 минут, а значит вокруг Марса быстро создастся кольцо из плазмы, которое, при определенных условиях, будет порождать магнитное поле. Этим способом можно так же легко регулировать силу магнитного поля, повышать ее или понижать. Просто легчайший способ.

Правда надо будет так же в нескольких местах этого кольца создать некие подстанции, которые будут направлять движение частиц, подобно тому, как это происходит в Большом Адронном Коллайдере, их еще называют «кикеры» (от слова kick). Забавно еще то, что при подобной конфигурации магнитного поля возникает так называемый «пинч эффект» -- он сжимает канал плазмы подобно тому, как сжимается плазма в канале молнии. Так вот в подобном кольце из плазмы этот эффект будет приводить к сжатию кольца и удержанию частиц внутри плазменного канала.

Хотя все частицы таким образом не получится удержать и надо будет постоянно испарять поверхность Фобоса, чтобы пополнять плазменный канал новой плазмой, общая масса которой должна постоянно составлять всего около 15 килограммов. А это значит, что, испаряя таким образом поверхность Фобоса, его массы хватит на миллиарды лет для поддержания такого кольца плазмы и, соответственно, искусственного магнитного поля Марса. Подобный способ можно использовать для создания магнитного поля на любых спутниках и планетах, достаточно вывести на нужную орбиту небольшой астероид и с помощью лазерной абляции формировать плазменные кольца вокруг этих небесных тел, генерируя таким образом магнитное поле.

Странно, что до этого додумались только совсем недавно, (научная работа, на которой опирается это видео, была опубликована в январе 2022 года) хотя давно известно, что вокруг спутника Юпитера Ио подобное кольцо из плазмы формируется естественным образом:

А Энрико Ферми предлагал проект по постройке ускорителя частиц на орбите Земли еще в 1954 году, когда еще даже не был запущен ни один искусственный спутник на орбиту:

И еще одно -- а зачем вообще нужно магнитное поле на Марсе? В первую очередь, чтобы удерживать атмосферу. Даже если получиться создать атмосферу на Марсе примерно такого состава, как на Земле, то солнечные ветры постепенно ее «сдуют». Останутся только тяжелые молекулы в составе атмосферы, типа углекислого газа. Ну и магнитное поле сможет уменьшить радиацию на поверхности Марса, хотя основной защитой от космической радиации является атмосфера. План таков – создаем магнитное поле на Марсе и постепенно возобновляем атмосферу до земного состояния, а как возобновить атмосферу – это уже другой вопрос, который, в рамках этой статьи, я затрагивать не буду, как и не буду поднимать тему того, зачем вообще человечеству нужен или не нужен Марс и его терраформирование, это была статья о интересном инженерном решении по созданию искусственного магнитного поля на Марсе, о чем, собственно, я и рассказала. Пока.