火星磁屏蔽的基本物理与资源需求

火星缺乏显著的磁场；因此，太阳风剥蚀火星大气，使表面不宜居。任何地球化尝试都需要人工火星磁屏蔽。构建人工磁层的基本挑战是将行星尺度的电流与磁场压缩至尽可能小的质量。超导电磁体提供了一种实现途径。然而，超导体与电磁体的基础物理限制了这种集中程度。基于这些基本限制，我们表明超导材料用量正比于 $B_c^{-2}a^{-3}$，其中 $B_c$ 为超导体的临界磁场，$a$ 为螺线管环路半径。由于 $B_c$ 由基础物理决定，设计中唯一真正可调节的参数是环路半径；更大的环路半径使所需超导材料最少。这一反直觉结果意味着，在火星与太阳之间第一拉格朗日点建造紧凑电磁体并放置其中的“直觉”策略不可行。考虑 $B_c$ 的合理限制，最小可能环路半径约为10 km，磁屏蔽质量约为 $10^{19}$ g。大多数高温超导体由稀有元素构成；给定太阳系丰度，建造质量约 $10^{19}$ g 的超导体需开采质量数倍于 $10^{25}$ g 的太阳系天体；这约为火星的10%。我们发现最可行的设计是用环路半径约3400 km的超导导线环绕火星。所得导线直径可小至约5 cm。该设计下，磁屏蔽质量约 $10^{12}$ g，需开采约 $10^{18}$ g，仅相当于奥林匹斯山的0.1%。