Magneettinen purje

Magneettista purjetta on ehdotettu käytettäväksi avaruusalusten työntövoimana. Avaruusaluksesta vapautettaisiin suuri silmukka suprajohtavaa johtoa, jolla luotaisiin magneettikenttä ja mahdollisesti apusilmukoita ohjausta varten tai suojaamaan säteilyhaitoilta, joita pääsilmukan ohjaamat varautuneet hiukkaset voisivat aiheuttaa. Magneettiset purjeet ovat mielenkiinnon kohteena oleva työntövoimateknologia, koska laskelmat osoittavat että suprajohtavilla magneettipurjeilla voisi olla parempi työntö-massa suhde kuin aurinkopurjeilla.

Toimintaperiaatteet ja rakenne

Kun varautunut hiukkanen kuten protoni tai elektroni liikkuu magneettikentän läpi kohtisuoraan magneettikentän voimaviivoja vasten muuttuu hiukkasen liikerata. Auringosta lähtevässä aurinkotuulessa on maapallon lähistöllä miljoonia protoneja ja neutroneja kuutiometrissä avaruutta. Hiukkaset liikkuvat Auringosta poispäin 400–600 kilometrin sekuntinopeudella. Magneettinen purje pystyy kiihdyttämään näitä hiukkasia ja täten saamaan aikaan työntövoimaa.

Impulssi

Periaate, jolla magneettinen purje saa voimansa, on samanlainen kuin miten aurinkopurjeet käyttävät auringosta lähtevien fotonien paineen hyväkseen, mutta protoneilla on enemmän massaa kuin fotoneilla. Tästä syystä samassa avaruuden tilavuudessa on paremmat mahdollisuudet luoda tarvittava impulssi. Purje koostuu myös pelkästään silmukasta, ja siten sen massa on pienempi kuin aurinkopurjeen. Magneettinen purje pystyy aikaansaamaan työntövoiman, joka on suoraan vastakkainen planeettojen ja auringon magnetosfäärille.

Säilyttäminen

Magneettinen purje voidaan keriä rullalle avaruusaluksen ruumaan kun sitä ei käytetä. Se olisi vain kerä suprajohtavaa johdinta. Jotta purjetta voitaisiin käyttää, silmukkaan käynnistettäisiin sähkövirta. Kun virta alkaa kiertää silmukassa, enempää energiaa ei enää tarvittaisi. Silmukassa kiertävä virta aiheuttaa magneettikentän, joka puolestaan pyrkii laajentamaan silmukkaa, joten silmukka keriytyy automaattisesti auki ja vetäytyy ympyränmuotoon.

Pienet kentänvoimakkuudet

Koska magneettinen purje toimii pienillä magneettikentän voimakkuuksilla, tyypillisesti noin 0,00001 teslaa (10 mikroteslaa, 1/2 maan magneettisen kentän voimakkuudesta ekvaattorilla) johtimen ei tarvitse olla erityisen vankkaa. Planeettojen magnetosfääreissä ja plasmatuulessa magneettinen purje on tehokkaampi pienillä virroilla ja suuripinta-alaisilla heikoilla magneettikentillä. Tuloksena on ohut, kevyt kaapelilenkki, jolla on suuri halkaisija.
Yksi tapa tutkia tätä ominaisuutta voisi olla sähköisesti aikaansaatu kaasu-plasma kenttäsilmukka sähköisen johdinsilmukan sijaan. Tätä lähestymistapaa kutsutaan pienimagneettisilmukkaiseksi plasmatyöntövoimaksi (mini-magnetospheric plasma propulsion).

Plasmatuulessa

Toimiessaan kaukana planeettojen magnetosfääristä, magneettinen purje pakottaa aurinkotuulen positiivisesti varautuneet protonit kaartumaan, kun ne menevät silmukan läpi. Protonien impulssin muutos aiheuttaa voiman magneettista kenttää eli magneettisilmukkaa vasten.
Kuten aurinkopurjeet, voivat magneettisetkin purjeet luovia. Jos magneettinen purje muodostaa kulman aurinkotuulen kanssa, varatut hiukkaset poikkeavat pääsääntöisesti ulos purjeen toiselta puolelta ja purje liikkuu vaakasuoraan. Tämä tarkoittaa käytännössä sitä, että magneettiset purjeet voivat liikkua useimmille kiertoradoille.
Tämäntyyppisessä käytössä magneettisen purjeen teho putoaa etäisyyden neliöön auringosta. Aurinkosäällä on myös suuri vaikutus purjeeseen. On mahdollista, että auringon plasmapurkaus (flare, soihtu) voisi vahingoittaa korkeahyötysuhteista herkkää purjetta.
Yleinen harhaluulo on, että purje ei voisi ylittää sitä työntävän plasman nopeutta, mutta tämä on väärä oletus. Kun magneettisen purjeen nopeus kasvaa, sen kiihtyvyys tulee lähinnä riippuvaksi sen kyvystä luovia. Korkeissa nopeuksissa plasmatuuli näyttää enenevässä määrin tulevan suoraan avaruusaluksen aluksen edestä. Edistyksellisempi avaruusalus voisi käyttää silmukoita köleinä joten alus voisi käyttää hyväkseen auringon magneettikentän ja aurinkotuulen välistä suuntaeroa, vähän niin kuin oikeat purjeveneet (purje vs. köli).

Planetaarisen magnetosfäärin sisällä

Planetaarisen magnetosfäärin sisällä magneettinen purje voisi käyttää hyväkseen planeetan magneettista kenttää erityisesti aluksen ollessa sellaisella kiertoradalla, joka kulkee planeetan magneettisten napojen yli.
Mahdollisuus ohjata magneettista purjetta planetaarisen magnetosfäärin sisällä on rajoittuneempi kuin plasmatuulessa. Kuten tunnetut pienet magneetit, joita käytetään maan päällä, magneettinen purje voi vain joko tuntea vetoa tai työntöä suhteessa magneettisiin napoihin riippuen purjeen asennosta.
Kun magneettisen purjeen kenttä on päinvastainen kuin magnetosfäärissä vaikuttaa purjeeseen sisäänpäin ja kohti pohjoista napaa oleva voima, ja kun sen kenttä on samansuuntainen kuin magnetosfäärin vaikuttavat päinvastaiset voimat. On huomattava, että kun purjeen kenttä on samansuuntainen kuin magnetosfäärin ei sen tila ole vakaa. Purjeen pitää jollain keinoin estää itseään kääntymästä nurin, jolloin sen kenttä olisi päinvastainen magnetosfäärin kenttään nähden.
Työntövoima, jonka purje kehittää, on käänteisessä suhteessa etäisyyden neljänteen potenssiin planeetan sisäisestä dynamosta.
Jopa tällainen rajoittunut ohjauskyky on aika hyödyllinen. Vaihtelemalla magneettikentän voimakkuutta matkallaan kiertoradalla magneettinen purje voi antaa itselleen "perigeumisen (kiertoradan korkein kohta) potkun" kohottaen kiertoradan apogeumia (etäisyyttä maasta).
Kun tätä prosessia toistetaan jokaisella kiertoradalla, saadaan magneettisen purjeen apogeum nousemaan korkeammalle ja korkeammalle kunnes magneettinen purje voi lähteä planeetan magnetosfäärissä ja käyttää hyväkseen aurinkotuulta. Sama prosessi päinvastoin toteutettuna voidaan käyttää hyväksi laskemaan magneettisen purjeen kiertoradan apogeumia, kun se saapuu kohdeplaneetalle.
Teoriassa on mahdollista laukaista magneettinen purje suoraan planeetan pinnalta läheltä sen magneettista napaa käyttäen hyväksi planeetan magneettikenttää. Tämä kuitenkin tarkoittaa sitä, että magneettinen purje pitäisi pystyä pitämään epästabiilissa suunnassa. Maan pinnalta tapahtuva laukaisu vaatisi suprajohteita, joilla olisi 80 kertainen virtatiheys tämän hetkisiin korkean lämpötilan suprajohteisiin verrattuna.

Tähtienvälinen matkailu

Tähtienvälinen avaruusalus, joka olisi tähden heliopaussiin ulkopuolella matkalla kohti tähteä, voisi käyttää magneettista purjetta eräänlaisena laskuvarjona, jolla aluksen vauhtia hidastettaisiin. Täten voitaisiin säästää tähtienvälisen aluksen polttoaineesta jarrutuksessa normaalisti käytettävä osuus, joka olisi erittäin suuri hyöty.
Tähtienvälinen avaruus sisältää erittäin pieniä määriä vetyä. Nopeasti liikkuva purje voisi ionisoida vedyn kiihdyttämällä elektroneja yhteen suuntaan ja vastakkain varautuneita protoneja toiseen. Ionisaatiossa tarvittava energia ja syklotroninen säteily saisivat energiansa avaruusaluksen liike-energiasta. Tästä seuraisi avaruusaluksen nopeuden hidastuminen. Hiukkasten kiihdyttämisestä syntyvä syklotroninen säteily olisi helposti havaittavissa radiotaajuuksilla.
Magneettisia purjeita voitaisiin käyttää myös yhdessä hiukkassuihkuperustaisilla työntövoimalla, käyttäen voimakasta hiukkaskiihdytintä ampumaan varattujen hiukkasten suihku avaruusalusta kohti. Purje poikkeuttaisi tämän säteen siirtäen impulssin alukseen. Tämä tapa antaisi paljon suuremman kiihtyvyyden, kuin aurinkopurje, jota kiihdytetään laserilla. Toisaalta varattujen hiukkasten suihku hajaantuisi lyhyemmällä matkalla kuin laser.

Tieteiskirjallisuudessa

Magneettinen purje on näyttävästi esillä tieteiskirjailija Michael Flynnin romaaneissa. Erityisesti kirjassa The Wreck of the River of Stars. Siinä kerrotaan tarina viimeisellä matkallaan olevasta magneettipurjealuksesta aikana, jolloin Farnsworth-Hirsch Fuusioon perustuvat fuusioraketit ovat tulleet suosituimmaksi työntövoiman menetelmäksi.