Про «Солнечный паровоз» (противорадиационная защита).
Все вновь предложенные в данном тексте идеи и технические решения, если таковые отыщутся, могут свободно использоваться, распространяться и модифицироваться в соответствии со « Стандартной Общественной Лицензией» (СОЛ), с указанием авторства вашего покорного слуги uhfnl.
В ходе колонизации и освоения Солнечной системы в полный рост может встать проблема существования живых существ за пределами магнитосферы Земли, в условиях кратно увеличившейся радиационной опасности. Значит, существует насущная задача обеспечения для таких живых организмов эффективной радиационной защиты. Попробуем придумать способ её создания.
Почему вообще высокоэнергетические частицы способны проникать сквозь вещество? Потому, что большая часть этого вещества, для них прозрачна. Если ядра атомов они преодолеть не могут из-за высокой плотности ядер, то в промежутках между ними, эти частицы проходят значительно легче, практически не встречая сопротивления электронных оболочек атомов, с их минимальной плотностью.
На рисунке изображена проекция кристаллической решетки на плоскость, параллельную одной из граней этой решетки. Следует понимать, что за каждой точкой изображающей ядро атома, расположены точки изображающие ядра других атомов и таких ядер сотни тысяч или даже миллионы… А нельзя ли так развернуть решетку, что бы эти скрытые сейчас ядра, попали в плоскость проекции? Попробуем повернуть решетку так, что бы ядро атома из следующего слоя, полностью вышло из-за ядра атома первого слоя. Но тогда ядра атомов из следующих слоёв расположатся так, как показано на рисунке. Для наглядности мы пронумировали ядра в соответствии со слоями, в которых они находятся. У нас получилось только 5 слоёв, хотя на самом деле их должно быть от 10 до 100 тысяч.
Мне кажется или прозрачность кристалла значительно уменьшилась? Попробуем ещё раз повернуть решетку так, что бы проекция ядер на нашу плоскость выглядела так(рис.3):
Теперь ядра совсем не перекрывают друг друга, что ещё больше повышает эффективность защиты. Но можно же сделать и следующий шаг, вспомнив, что решетка не ограничивается тем мизером, который мы рассматриваем, а может иметь гораздо больше слоёв. Тогда картинка может выглядеть так(рис.4):
Теперь, в такой проекции вообще не видно места, где высокоэнергетическая частица сможет проскочить через этот кристалл. Неужели таким образом можно создать абсолютную радиационную защиту? Не всё так просто, всё несколько сложнее, губу придётся закатать…
Считаем и опускаемся на землю…
Попробуем прикинуть, какой толщины должен быть кристалл, чтобы полностью перекрылись все пустоту в нём, хотя бы в одной проекции. Для рассмотрения возьмем элемент из середины периодической таблицы - железо.
Радиус ядра железа = 3,6Е10-15 м.
Постоянная решетки железа (кубической гранецентрированной) = 2,52Е10-10 м.
Значит, чтобы получить картинку как на Рис.3 нам нужно, что бы вплотную друг к другу «притерлись» проекции аж 70000 ядер… Тогда толщина самого кристалла должна быть ~ 0,000001764м или около 2-х микрон. Пока вроде ничего страшного, но для того, чтобы получить проекцию, как на картинке Рис.4, нужно добавить ещё 70000 слоёв, а толщина искомого кристалла сразу превращается в 1,23 м… Да, такую «защиту» на орбиту вряд ли «запрёшь» ;-(
Однако, не всё так плохо, как может показаться на первый взгляд. Можно попробовать поискать некоторый промежуточный вариант, который может оказаться предпочтительней того, что мы имеем в плане противорадиационной защиты на данный момент. Посмотрим, какова толщина кристалла получится, если увеличить межъядерные расстояния на нашей проекции в 10 раз. Получаем толщину всего 0,012348м, тоже великоватый разметчик, но уже не так «катастрофично» для рассматриваемой идеи… Увеличив же межъядерные расстояния на нашей проекции в 100 раз, получаем толщину защитного слоя всего в 0,00012348м, а если остановиться на соотношении в 20 раз получим вполне перевариваемые 3,09E-03м.
Вспомним на минутку, что основную опасность для живых существ, вышедших за пределы магнитосферы Земли, будут представлять именно заряженные частицы, которые собственно и «блокирует» эта самая магнитосфера, попробуем прикинуть во сколько раз будет лучше предлагаемый вариант защиты, по сравнению с самым худшим вариантом неупорядоченного положения атомов, при произвольном положении кристаллических решеток в массиве вещества защиты. Для случая 20-ти кратного увеличения межъядерных расстояний в проекции, получаем, что максимальное расстояние действия кулоновских сил на высокоэнергетическую частицу, преодолевающую данную защиту, уменьшится в 1,75E+03 раз. Соответственно действие на эту частицу кулоновских сил со стороны ядра, замедляющих и изменяющих траекторию её движения, увеличится в 3,06E+06 раз… Что-то мне подсказывает, что у высокоэнергетических частиц нет никаких шансов преодолеть подобную защиту. И это мы ещё не рассматривали Де`Броилевские длины волн для частиц, а там тоже есть темы для обсуждения в плане прозрачности материалов…
Всё это довольно любопытно, но сразу же встаёт вопрос, а возможно ли сделать такой материал, и главное как его сделать? Раз уж мы изначально «докопались» до железа, посмотрим ,что можно предпринять, используя этот материал. Посмотрим на микроструктуру стали(Рис.5).
Структура состоит из микрокристаллов, которые в общем случае ориентированы хаотично. Мы знаем, что в процессе нагревания, отпускании или закалки стали, её микроструктура может претерпевать значительные изменения. Происходит перекристаллизация микрокристаллов. С другой стороны все прекрасно помнят школьный опыт с магнитом и опилками, когда опилки выстраиваются строго по линиям напряженности магнитного поля. А что если, в процессе закалки поместить образец стального материала в сильное магнитное поле? Не случится ли так, что микрокристаллы получат в результате этого вполне конкретную ориентацию? Тогда подобрав нужное направление и напряженность магнитного поля, вполне реально создать стальной лист, в котором микрокристаллы ориентированы так, что бы создавать для частиц преодолевающих его, ту самую проекцию расположения ядер, какую нам нужно.
Сама установка по структурированию материала противорадиационной защиты, может выглядеть так, как на Рис.6:
Мне кажется, что эта идея вполне жизнеспособна и может сильно пригодиться в процессе колонизации Космоса, хотя несомненно требует дальнейшей доработки и изучения… В любом случае, мне надоело держать всё это в голове, пускай здесь полежит…
;-)
В ходе колонизации и освоения Солнечной системы в полный рост может встать проблема существования живых существ за пределами магнитосферы Земли, в условиях кратно увеличившейся радиационной опасности. Значит, существует насущная задача обеспечения для таких живых организмов эффективной радиационной защиты. Попробуем придумать способ её создания.
Почему вообще высокоэнергетические частицы способны проникать сквозь вещество? Потому, что большая часть этого вещества, для них прозрачна. Если ядра атомов они преодолеть не могут из-за высокой плотности ядер, то в промежутках между ними, эти частицы проходят значительно легче, практически не встречая сопротивления электронных оболочек атомов, с их минимальной плотностью.
На рисунке изображена проекция кристаллической решетки на плоскость, параллельную одной из граней этой решетки. Следует понимать, что за каждой точкой изображающей ядро атома, расположены точки изображающие ядра других атомов и таких ядер сотни тысяч или даже миллионы… А нельзя ли так развернуть решетку, что бы эти скрытые сейчас ядра, попали в плоскость проекции? Попробуем повернуть решетку так, что бы ядро атома из следующего слоя, полностью вышло из-за ядра атома первого слоя. Но тогда ядра атомов из следующих слоёв расположатся так, как показано на рисунке. Для наглядности мы пронумировали ядра в соответствии со слоями, в которых они находятся. У нас получилось только 5 слоёв, хотя на самом деле их должно быть от 10 до 100 тысяч.
Мне кажется или прозрачность кристалла значительно уменьшилась? Попробуем ещё раз повернуть решетку так, что бы проекция ядер на нашу плоскость выглядела так(рис.3):
Теперь ядра совсем не перекрывают друг друга, что ещё больше повышает эффективность защиты. Но можно же сделать и следующий шаг, вспомнив, что решетка не ограничивается тем мизером, который мы рассматриваем, а может иметь гораздо больше слоёв. Тогда картинка может выглядеть так(рис.4):
Теперь, в такой проекции вообще не видно места, где высокоэнергетическая частица сможет проскочить через этот кристалл. Неужели таким образом можно создать абсолютную радиационную защиту? Не всё так просто, всё несколько сложнее, губу придётся закатать…
Считаем и опускаемся на землю…
Попробуем прикинуть, какой толщины должен быть кристалл, чтобы полностью перекрылись все пустоту в нём, хотя бы в одной проекции. Для рассмотрения возьмем элемент из середины периодической таблицы - железо.
Радиус ядра железа = 3,6Е10-15 м.
Постоянная решетки железа (кубической гранецентрированной) = 2,52Е10-10 м.
Значит, чтобы получить картинку как на Рис.3 нам нужно, что бы вплотную друг к другу «притерлись» проекции аж 70000 ядер… Тогда толщина самого кристалла должна быть ~ 0,000001764м или около 2-х микрон. Пока вроде ничего страшного, но для того, чтобы получить проекцию, как на картинке Рис.4, нужно добавить ещё 70000 слоёв, а толщина искомого кристалла сразу превращается в 1,23 м… Да, такую «защиту» на орбиту вряд ли «запрёшь» ;-(
Однако, не всё так плохо, как может показаться на первый взгляд. Можно попробовать поискать некоторый промежуточный вариант, который может оказаться предпочтительней того, что мы имеем в плане противорадиационной защиты на данный момент. Посмотрим, какова толщина кристалла получится, если увеличить межъядерные расстояния на нашей проекции в 10 раз. Получаем толщину всего 0,012348м, тоже великоватый разметчик, но уже не так «катастрофично» для рассматриваемой идеи… Увеличив же межъядерные расстояния на нашей проекции в 100 раз, получаем толщину защитного слоя всего в 0,00012348м, а если остановиться на соотношении в 20 раз получим вполне перевариваемые 3,09E-03м.
Вспомним на минутку, что основную опасность для живых существ, вышедших за пределы магнитосферы Земли, будут представлять именно заряженные частицы, которые собственно и «блокирует» эта самая магнитосфера, попробуем прикинуть во сколько раз будет лучше предлагаемый вариант защиты, по сравнению с самым худшим вариантом неупорядоченного положения атомов, при произвольном положении кристаллических решеток в массиве вещества защиты. Для случая 20-ти кратного увеличения межъядерных расстояний в проекции, получаем, что максимальное расстояние действия кулоновских сил на высокоэнергетическую частицу, преодолевающую данную защиту, уменьшится в 1,75E+03 раз. Соответственно действие на эту частицу кулоновских сил со стороны ядра, замедляющих и изменяющих траекторию её движения, увеличится в 3,06E+06 раз… Что-то мне подсказывает, что у высокоэнергетических частиц нет никаких шансов преодолеть подобную защиту. И это мы ещё не рассматривали Де`Броилевские длины волн для частиц, а там тоже есть темы для обсуждения в плане прозрачности материалов…
Всё это довольно любопытно, но сразу же встаёт вопрос, а возможно ли сделать такой материал, и главное как его сделать? Раз уж мы изначально «докопались» до железа, посмотрим ,что можно предпринять, используя этот материал. Посмотрим на микроструктуру стали(Рис.5).
Структура состоит из микрокристаллов, которые в общем случае ориентированы хаотично. Мы знаем, что в процессе нагревания, отпускании или закалки стали, её микроструктура может претерпевать значительные изменения. Происходит перекристаллизация микрокристаллов. С другой стороны все прекрасно помнят школьный опыт с магнитом и опилками, когда опилки выстраиваются строго по линиям напряженности магнитного поля. А что если, в процессе закалки поместить образец стального материала в сильное магнитное поле? Не случится ли так, что микрокристаллы получат в результате этого вполне конкретную ориентацию? Тогда подобрав нужное направление и напряженность магнитного поля, вполне реально создать стальной лист, в котором микрокристаллы ориентированы так, что бы создавать для частиц преодолевающих его, ту самую проекцию расположения ядер, какую нам нужно.
Сама установка по структурированию материала противорадиационной защиты, может выглядеть так, как на Рис.6:
Мне кажется, что эта идея вполне жизнеспособна и может сильно пригодиться в процессе колонизации Космоса, хотя несомненно требует дальнейшей доработки и изучения… В любом случае, мне надоело держать всё это в голове, пускай здесь полежит…
;-)