PATENT | 1987 | Methode en apparaat voor het wijzigen van een regio in de aardatmosfeer, ionosfeer en/of magnetosfeer.

US 4686605 - 1987

Link naar het volledige originele patent: https://patentimages.storage.googleapis.com/08/5b/d0/6a7832821fa594/US4686605.pdf

(Het patent is echt te lang om te laten voorlezen in een audiofile helaas. Het heeft nu geen meerwaarde.)

Gedeeltelijke NL vertaling:

---

Een methode en apparaat voor het wijzigen van ten minste één geselecteerde regio die zich normaal boven het aardoppervlak bevindt. De regio wordt geëxciteerd door elektroncyclotronresonantieverwarming, waardoor de dichtheid van geladen deeltjes toeneemt. In één uitvoering wordt circulair gepolariseerde elektromagnetische straling naar boven uitgezonden in een richting die grotendeels parallel loopt aan en langs een veldlijn die door de te wijzigen plasmaregio loopt. De straling wordt uitgezonden op een frequentie die elektroncyclotronresonantie opwekt om de geladen deeltjes te verhitten en te versnellen. Deze toename in energie kan leiden tot ionisatie van neutrale deeltjes, die vervolgens worden geabsorbeerd als onderdeel van de regio, waardoor de dichtheid van geladen deeltjes in de regio toeneemt.

METHODE EN APPARAAT VOOR HET WIJZIGEN VAN EEN REGIO IN DE AARDSE ATMOSFEER, IONOSFEER EN/OF MAGNETOSFEER

1. Technisch Gebied

Deze uitvinding heeft betrekking op een methode en een apparaat voor het wijzigen van ten minste één geselecteerde regio die zich normaal boven het aardoppervlak bevindt. Meer specifiek betreft het een methode en een apparaat waarbij ten minste één regio wordt gewijzigd door aanvankelijk elektromagnetische straling vanaf het aardoppervlak uit te zenden, vrijwel parallel aan en langs natuurlijk voorkomende, divergente magnetische veldlijnen die zich uitstrekken vanaf het aardoppervlak door de te wijzigen regio('s).

2. Achtergrondinformatie

In de late jaren 1950 werd ontdekt dat er op grote hoogte boven het aardoppervlak natuurlijke gordels bestaan. Het is inmiddels vastgesteld dat deze gordels ontstaan doordat geladen elektronen en ionen gevangen raken langs de magnetische veldlijnen van het grotendeels dipoolvormige magnetische veld van de aarde. De gevangen elektronen en ionen worden opgesloten tussen twee magnetische spiegels die op verschillende punten langs deze veldlijnen bestaan. De opgesloten elektronen en ionen bewegen zich in spiraalvormige banen rond hun respectieve veldlijnen en ‘stuiteren’ heen en weer tussen de magnetische spiegels. Deze gevangen deeltjes kunnen lange tijd oscillerend langs de veldlijnen blijven bewegen.

In de afgelopen decennia is er aanzienlijke inspanning geleverd om de verschijnselen die verband houden met deze gevangen elektronen en ionen beter te begrijpen en om mogelijke methoden te verkennen waarmee deze fenomenen gecontroleerd en nuttig toegepast kunnen worden.

Bijvoorbeeld, in de late jaren 1950 en vroege jaren 1960 hebben zowel de Verenigde Staten als de Sovjet-Unie een reeks nucleaire explosies uitgevoerd op verschillende hoogtes (bijvoorbeeld 200 kilometer of meer) om grote aantallen geladen deeltjes te genereren en zo kunstmatige gordels van gevangen elektronen en ionen te vormen en te bestuderen. Uit deze experimenten bleek dat sommige van de extra elektronen en ionen uit deze explosies daadwerkelijk werden gevangen langs de magnetische veldlijnen in de magnetosfeer van de aarde, waardoor kunstmatige gordels ontstonden die gedurende lange perioden stabiel bleven. Voor een verdere bespreking van deze experimenten wordt verwezen naar The Radiation Belt and Magnetosphere, W.N. Hess, Blaisdell Publishing Co., 1968, pp. 155 en verder.

Andere voorgestelde methoden voor het wijzigen van bestaande gordels van gevangen elektronen en ionen, of het creëren van vergelijkbare kunstmatige gordels, omvatten:

• Het injecteren van geladen deeltjes vanuit een satelliet die radioactief beta-vervalmateriaal of alfa-emitterende stoffen bevat.

• Het injecteren van geladen deeltjes vanuit een satelliet met een elektronversneller aan boord.

• Een methode beschreven in U.S. Patent No. 4,042,196 waarbij geïoniseerd gas (bijvoorbeeld waterstof) wordt vrijgegeven vanuit een satelliet in een synchroon baan nabij het hoogtepunt van een stralingsgordel. Dit leidt tot een aanzienlijke toename van de neerslag van energierijke deeltjes en kan, onder bepaalde omstandigheden, het aantal deeltjes dat stabiel gevangen kan blijven, beperken.

Een andere voorgestelde methode omvat het vrijlaten van grote bariumwolken in de magnetosfeer, zodat foto-ionisatie de dichtheid van koud plasma verhoogt, wat op zijn beurt elektronenneerslag kan veroorzaken via versterkte whistler-modus interacties.

Echter, bij al deze eerder genoemde methoden moeten de mechanismen die de verandering in de gevangen deeltjes veroorzaken, fysiek aanwezig zijn binnen de getroffen zone (bijvoorbeeld de magnetosfeer) voordat ze geactiveerd kunnen worden om de gewenste verandering teweeg te brengen.

De ionosfeer van de aarde wordt niet beschouwd als een ‘gevangen’ gordel, aangezien er weinig gevangen deeltjes aanwezig zijn. De term ‘gevangen’ verwijst hier naar situaties waarin de zwaartekracht op de gevangen deeltjes wordt gebalanceerd door magnetische krachten in plaats van door hydrostatische of botsingskrachten. De geladen elektronen en ionen in de ionosfeer volgen ook spiraalvormige banen rond magnetische veldlijnen, maar worden niet gevangen tussen magnetische spiegels, zoals in de magnetosfeer, omdat de zwaartekracht op deze deeltjes wordt gebalanceerd door botsings- of hydrostatische krachten.

3. Vorige Experimenten en Verwante Onderzoeken

In de afgelopen jaren zijn verschillende experimenten uitgevoerd om de ionosfeer op gecontroleerde wijze te wijzigen, met als doel een mogelijk nuttig effect te bestuderen. Voor gedetailleerde besprekingen van deze experimenten wordt verwezen naar de volgende publicaties:

1. Ionospheric Modification Theory – G. Meltz en F.W. Perkins

2. The Platteville High Power Facility – Carrol et al.

3. Arecibo Heating Experiments – W.E. Gordon en H.C. Carlson, Jr.

4. Ionospheric Heating by Powerful Radio Waves – Meltz et al.

Al deze studies zijn gepubliceerd in Radio Science, Vol. 9, No. 11, november 1974, op pagina's 885-888, 889-894, 1041-1047 en 1049-1063.

In dergelijke experimenten worden bepaalde regio's van de ionosfeer verhit om de elektronendichtheid en temperatuur in deze regio’s te veranderen. Dit wordt gedaan door hoogfrequente elektromagnetische straling vanaf aardse antennes uit te zenden onder een aanzienlijke hoek ten opzichte van het magnetische veld van de ionosfeer, en niet parallel daaraan. De ionosferische deeltjes worden daarbij voornamelijk verwarmd door ohmse verwarming.

Tijdens deze experimenten is de elektronentemperatuur in de ionosfeer met enkele honderden graden verhoogd. Bovendien zijn elektronen met meerdere elektronvolt aan energie geproduceerd in aantallen die groot genoeg waren om luchtschijnsel (airglow) te versterken. De concentratie van elektronen is met enkele procenten verminderd door expansie van het plasma als gevolg van de temperatuurstijging.

In het Elmo Bumpy Torus (EBT), een gecontroleerd fusie-experiment in het Oak Ridge National Laboratory, wordt alle verwarming geleverd door microgolven die gebruik maken van elektroncyclotronresonantie-interactie. Hier wordt een ring van hete elektronen gevormd nabij het aardoppervlak in de magnetische spiegel door een combinatie van elektroncyclotronresonantie en stochastische verwarming.

In de EBT worden ringelektronen geproduceerd met een gemiddelde ‘temperatuur’ van 250 kilo-elektronvolt (keV) en een plasma-beta tussen 0,1 en 0,4; zie A Theoretical Study of Electron-Cyclotron Absorption in Elmo Bumpy Torus, Batchelor en Goldfinger, Nuclear Fusion, Vol. 20, No. 4 (1980), pp. 403-418.

Elektroncyclotronresonantieverwarming is eerder gebruikt in experimenten op het aardoppervlak om plasma’s te produceren en te versnellen in een divergerend magnetisch veld. Kosmahl et al. toonden aan dat energie effectief werd overgedragen van elektromagnetische golven, en dat een volledig geïoniseerd plasma werd versneld met een divergentiehoek van ongeveer 13 graden. De optimale neutrale gasdichtheid bedroeg 1,7 x 10¹² per kubieke centimeter; zie Plasma Acceleration with Microwaves Near Cyclotron Resonance, Kosmahl et al., Journal of Applied Physics, Vol. 38, No. 12, november 1967.

BESTE METHODEN VOOR HET UITVOEREN VAN DE UITVINDING

Het magnetisch veld van de aarde is enigszins vergelijkbaar met een dipoolmagneet. Hierdoor bevat het aardmagnetisch veld talrijke uiteenlopende magnetische veldlijnen, waarvan elke lijn het aardoppervlak kruist op punten aan tegenovergestelde zijden van de evenaar. De veldlijnen die het aardoppervlak nabij de polen snijden, hebben toppen die zich op de verste punten in de magnetosfeer bevinden, terwijl de lijnen dichter bij de evenaar slechts de lagere delen van de magnetosfeer bereiken.

Op verschillende hoogtes boven het aardoppervlak, zoals in de ionosfeer en de magnetosfeer, is van nature plasma aanwezig langs deze veldlijnen. Dit plasma bestaat uit gelijke aantallen positief en negatief geladen deeltjes (elektronen en ionen) die worden geleid door de veldlijnen. Het is algemeen bekend dat een geladen deeltje in een magnetisch veld om de veldlijnen heen draait, waarbij het middelpunt van deze beweging het “leidingscentrum” van het deeltje wordt genoemd. Terwijl het roterende deeltje langs een veldlijn beweegt, volgt het een spiraalvormig pad rond zijn leidingscentrum en blijft het op de veldlijn. Elektronen en ionen volgen beide spiraalvormige paden rond een veldlijn, maar roteren in tegenovergestelde richtingen.

De frequenties waarmee elektronen en ionen om de veldlijn heen draaien, worden gyromagnetische of cyclotronfrequenties genoemd. De cyclotronfrequentie van ionen in een bepaald magnetisch veld is lager dan die van elektronen, in omgekeerde verhouding tot hun massa.

Indien de deeltjes die het plasma langs de aardmagnetische veldlijnen vormen met een constante hoek van beweging (de zogenaamde "pitch angle α") zouden blijven bewegen, zouden ze uiteindelijk het aardoppervlak raken. De pitch angle α is gedefinieerd als de hoek tussen de richting van het magnetisch veld van de aarde en de snelheid (V) van het deeltje. In samenkomende krachtvelden verandert de pitch angle echter zodanig dat het deeltje omkeert en een inslag op de aarde vermijdt.

Wanneer een deeltje langs een veldlijn naar de aarde beweegt, komt het in een regio met een toenemende magnetische veldsterkte, waardoor sin α toeneemt. Maar sin α kan slechts toenemen tot 1,0, het punt waarop het deeltje omkeert en weer omhoog begint te bewegen langs de veldlijn, waarbij α afneemt. Dit omkeerpunt wordt de “spiegelpunt” genoemd, waar α gelijk is aan 90 graden. Dit proces herhaalt zich aan het andere uiteinde van de veldlijn, waar hetzelfde magnetische veldsterkte Bₘ heerst. Het deeltje wordt hierdoor opgesloten tussen twee magnetische spiegels en blijft oscilleren tussen deze spiegels gedurende lange perioden.

De locatie waar een deeltje zal spiegelen, kan worden berekend met de volgende vergelijking:

sin⁡α=B0Bn\sin \alpha = \frac{B₀}{Bₙ}sinα=Bn​B0​​

waarbij:

• α\alphaα = de evenaarse pitch angle van het deeltje

• B0B₀B0​ = de magnetische veldsterkte bij de evenaar op een specifieke veldlijn

• BnBₙBn​ = de veldsterkte bij het spiegelpunt

Natuurlijke en Kunstmatige Stralingsgordels

Recent onderzoek heeft aangetoond dat er substantiële regio’s van natuurlijk gevangen deeltjes in de ruimte bestaan, beter bekend als de “gevangen stralingsgordels” (bijv. de Van Allen-gordels). Deze gordels bevinden zich op hoogtes boven ongeveer 500 km en bevinden zich dus voornamelijk in de magnetosfeer, boven de ionosfeer. De deeltjesbeweging in de ionosfeer wordt bepaald door zowel hydrodynamische als elektrodynamische krachten, terwijl er in de ionosfeer weinig gevangen deeltjes zijn. Plasma is echter aanwezig langs de veldlijnen in de ionosfeer.

De geladen deeltjes die dit plasma vormen, bewegen langs spiraalvormige banen rond de veldlijnen en botsen periodiek met andere deeltjes. Hoewel een specifiek deeltje naar beneden kan diffunderen in de lagere atmosfeer of energie kan verliezen door botsingen, worden deze deeltjes doorgaans vervangen door andere geladen deeltjes of door de ionisatie van neutrale deeltjes.

De elektronendichtheid (N) van het plasma varieert afhankelijk van de locatie en omstandigheden. Neutrale deeltjes, ionen en elektronen zijn ook aanwezig in de nabijheid van de veldlijnen. Verhoogde ionisatie kan de verdeling van atmosferische atomen en moleculen veranderen, met name door een toename van de concentratie van atomair stikstof. De bovenste atmosfeer bevat normaal gesproken veel atomair zuurstof (het dominante atmosferische bestanddeel boven 200 km), maar atomair stikstof komt zelden voor. Dit kan zich manifesteren in een verhoogde luchtschijnsel (airglow).

Wijziging van Plasma via Elektroncyclotronresonantie (ECR)

In de plasmafysica kunnen de eigenschappen van een plasma worden gewijzigd door energie toe te voegen aan geladen deeltjes of door extra deeltjes te ioniseren of te exciteren om de plasmadichtheid te verhogen.

Een manier om dit te bereiken is door het plasma te verhitten, wat op verschillende manieren kan worden gedaan, zoals:

• Ohmse verwarming

• Magnetische compressie

• Schokgolven

• Magnetische pompen

• Elektroncyclotronresonantie (ECR)

Aangezien de huidige uitvinding gebruikmaakt van ECR-verwarming, is een korte bespreking hiervan op zijn plaats.

Het verhogen van de energie van elektronen in een plasma via ECR-verwarming is gebaseerd op een principe dat vergelijkbaar is met dat van de versnelling van geladen deeltjes in een cyclotron. Als een plasma wordt opgesloten door een statisch axiaal magnetisch veld met een veldsterkte BBB, zullen de geladen deeltjes om de veldlijnen draaien met een frequentie die in hertz wordt gegeven door:

f=1.54×106BAf = 1.54 \times 10^6 \frac{B}{A}f=1.54×106AB​

waarbij:

• BBB = magnetische veldsterkte in gauss

• AAA = massagetal van het ion

Als een variërend elektromagnetisch veld met deze frequentie bovenop het statische magnetische veld wordt geplaatst, kunnen de geladen deeltjes in het plasma energie opnemen uit het oscillerende elektrische veld.

Bijvoorbeeld, als B=10.000B = 10.000B=10.000 gauss, dan is de resonantiefrequentie voor protonen in een plasma 15,4 megahertz. Toegepast op elektronen vereist ECR-verwarming een oscillerend veld met een specifieke frequentie, bepaald door de sterkte van het opsluitingsveld. De radiofrequente straling produceert tijdsafhankelijke elektrische en magnetische velden, waarbij het elektrische veld de geladen deeltjes versnelt.

De geactiveerde elektronen delen hun energie met ionen en neutrale deeltjes door middel van botsingen, waardoor effectief de temperatuur van alle deeltjes stijgt. De verdeling van de energie tussen elektronen, ionen en neutrale deeltjes wordt bepaald door de botsingsfrequenties.

Voor een gedetailleerder begrip van de betrokken fysica, zie:

• Controlled Thermonuclear Reactions, Glasstone en Lovberg, D. Van Nostrand Company, 1960

• The Radiation Belt and Magnetosphere, Hess, Blaisdell Publishing Company, 1968

Deze principes vormen de basis voor het gebruik van ECR-verwarming in de huidige uitvinding, waarbij een regio van plasma wordt gemanipuleerd om de eigenschappen van de ionosfeer en/of magnetosfeer te wijzigen.

4o