Antiparticle content in the magnetosphere

Abstract

In the present work we assess the stable and transient antiparticle content of planetary magnetospheres, and subsequently we consider their capture and application to high delta-v space propulsion. We estimate the total antiparticle mass contained within the Earth's magnetosphere to assess the expediency of such usage. Using Earth's magnetic field region as an example, we have considered the various source mechanisms that are applicable to a planetary magnetosphere, the confinement duration versus transport processes, and the antiparticle loss mechanisms. We have estimated the content of the trapped population of antiparticles magnetically confined following production in the exosphere due to nuclear interactions between high energy cosmic rays (CR) and constituents of the residual planetary upper atmosphere. The galactic antiprotons that directly penetrate into the Earth's magnetosphere are themselves secondary by its nature, i.e. produced in nuclear reactions of the cosmic rays passing through the interstellar matter. These antiproton fluxes are modified, dependent on energy, when penetrating into the heliosphere and subsequently into planetary magnetospheres. During its lifetime in the Galaxy, CR pass through the small grammage of the interstellar matter where they produce secondary antiprotons. In contrast to this, antiprotons generated by the same CR in magnetosphere are locally produced at a path length of several tens g/cm(2) of matter in the ambient planetary upper atmosphere. Due to the latter process, the resulting magnetically confined fluxes significantly exceed the fluxes of the galactic antiprotons in the Earth's vicinity by up to two orders of magnitude at some energies. The radiation belt antiparticles can possibly be extracted with an electromagnetic-based "scoop" device. The antiparticles could be concentrated by and then stored within the superimposed magnetic field structure of such a device. In future developments, it is anticipated that the energy of the captured antiparticles (both rest energy and kinetic energy) can be adapted for use as a fuel for propelling spacecraft to high velocities for remote solar system missions. (C) 2007 COSPAR. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Resumo No presente trabalho avaliamos o conteúdo de antipartículas estáveis ​​e transitórias das magnetosferas planetárias e, subsequentemente, consideramos sua captura e aplicação para propulsão espacial delta-v elevada. Estimamos a massa total de antipartículas contida na magnetosfera da Terra para avaliar a conveniência de tal uso. Usando a região do campo magnético da Terra como exemplo, consideramos os vários mecanismos de origem aplicáveis ​​à magnetosfera planetária, a duração do confinamento versus os processos de transporte e os mecanismos de perda de antipartículas. Estimamos o conteúdo da população aprisionada de antipartículas confinadas magneticamente após a produção na exosfera devido às interações nucleares entre os raios cósmicos (CR) de alta energia e os constituintes da alta atmosfera planetária residual.

Os antiprótons galácticos que penetram diretamente na magnetosfera terrestre são, eles próprios, secundários por natureza, ou seja, produzidos nas reações nucleares dos raios cósmicos que passam pela matéria interestelar. Esses fluxos de antiprótons são modificados, dependendo da energia, ao penetrar na heliosfera e, posteriormente, nas magnetosferas planetárias. Durante sua vida na Galáxia, os CR passam pela pequena gramagem da matéria interestelar, onde produzem antiprótons secundários. Em contraste com isso, os antiprótons gerados pelo mesmo CR na magnetosfera são produzidos localmente em um comprimento de caminho de várias dezenas g / cm 2de matéria na atmosfera planetária superior ambiente. Devido ao último processo, os fluxos confinados magneticamente resultantes excedem significativamente os fluxos dos antiprótons galácticos na vizinhança da Terra em até duas ordens de magnitude em algumas energias.

As antipartículas do cinto de radiação podem possivelmente ser extraídas com um dispositivo "colher" de base eletromagnética. As antipartículas podem ser concentradas e então armazenadas dentro da estrutura do campo magnético sobreposto de tal dispositivo. Em desenvolvimentos futuros, prevê-se que a energia das antipartículas capturadas (energia de repouso e energia cinética) pode ser adaptada para uso como combustível para impulsionar espaçonaves a altas velocidades para missões remotas do sistema solar.