Как НАСА може да защити утрешните астронавти от радиация в дълбокия космос

Tтук са, независимо дали е от или, или . И е смърт от радиация.

Същите тези енергийни емисии от нашата местна звезда, които ви дават тен ако не стане . Докато днешният екипаж и товарните капсули с ниска околоземна орбита може да не са оборудвани със собствени миниатюрни магнитосфери, утрешната може би - или може би просто ще защитим първите изследователи на дълбокия космос на човечеството от междузвездна радиация чрез .

Видове радиация и какво да правим с тях

Подобно на ударите и хората, има различни видове и източници на радиация както на земята, така и в космоса. Нейонизиращо лъчение, което означава, че атомът няма достатъчно енергия, за да премахне напълно електрон от орбитата си, може да се намери в микровълни, електрически крушки и слънчеви енергийни частици (SEP) като . Въпреки че тези форми на радиация могат да увредят материалите и биологичните системи, техните ефекти обикновено могат да бъдат блокирани (следователно слънцезащитни продукти и микровълни, които не облъчват цели кухни) или екранирани от озоновия слой или .

Радиационните пояси на Земята са пълни с енергийни частици, уловени от магнитното поле на Земята, които могат да причинят хаос с електрониката, която изпращаме в космоса. Кредити: Студио за научна визуализация на НАСА/Том Бриджман

Йонизиращото лъчение, от друга страна, е енергично за изхвърляне на електрон и няма много, което може да забави техния положително зареден импулс. Алфа и бета частици, гама лъчи, рентгенови лъчи и галактически космически лъчи, „тежки, високоенергийни йони на елементи, на които всичките си електрони са отстранени, докато пътуват през галактиката със скоростта почти на светлината“, . „GCR са доминиращ източник на радиация, с която трябва да се работи на борда на настоящите космически кораби и бъдещи космически мисии в рамките на нашата слънчева система. Интензитетът на GCR е обратно пропорционален на относителната сила на магнитното поле на Слънцето, което означава, че те са най-силни, когато слънчевото поле е най-слабо и най-малко може да ги отклони.

Въпреки различното им естество, както GCR, така и SEP заедно със самите ни биологични тела. Тяхното продължително бомбардиране има кумулативен отрицателен ефект върху човешката физиология, което води не само до рак, но и до катаракта, неврологични увреждания, мутации на зародишната линия и остра лъчева болест, ако дозата е достатъчно висока. За материалите високоенергийните частици и фотоните могат да причинят „временна повреда или трайна повреда на материалите или устройствата на космическите кораби“, отбелязва Zicai Shen от Пекинския институт по инженерство на околната среда на космическите кораби през 2019 г. .

„Заредените частици постепенно губят енергия, докато преминават през материала, и накрая улавят достатъчен брой електрони, за да спрат“, добавиха те. "Когато дебелината на екраниращия материал е по-голяма от обхвата на заредена частица в материала, падащите частици ще бъдат блокирани в материала."

Как НАСА в момента защитава своите астронавти

За да гарантира, че утрешните астронавти ще пристигнат на Марс с непокътнати зъби и нокти, НАСА прекара близо четири десетилетия в събиране на данни и изучаване на ефектите на радиацията върху човешкото тяло. На агенцията (SRAG) в Космическия център на Джонсън, според уебсайта му, „отговорен за гарантирането, че излагането на радиация, получено от астронавтите, остава под "

, „типичната средна доза за човек е около 360 mrems годишно, или 3.6 mSv, което е малка доза. Международните стандарти обаче позволяват излагане на до 5,000 mrems (50 mSv) годишно за тези, които работят с и около радиоактивен материал. За космически полети границата е по-висока. Границата на НАСА за излагане на радиация в ниска орбита на Земята е 50 mSv/година или 50 rem/година.”

Служителите по космическа среда (SEO) на SRAG са натоварени със задачата да гарантират, че астронавтите могат успешно да изпълнят мисията си, без да поглъщат твърде много RAD. Те вземат предвид различните екологични и ситуационни фактори, присъстващи по време на космически полет - дали астронавтите са в LEO или на лунната повърхност, дали остават в космическия кораб или правят космическа разходка, или - комбинират и моделират тази информация с данни, събрани от както и , да вземат своите решения.

- в Центъра за космически полети на Годард, служи почти на същата цел като SRAG, но за механични системи, работещи за разработване на по-ефективно екраниране и по-здрави материали за използване в орбита.

„Ще можем да гарантираме, че хората, електрониката, космическите кораби и инструменти – всичко, което всъщност изпращаме в космоса – ще оцелеят в средата, в която го поставяме“, каза Меган Кейси, авиокосмически инженер в REAG. . „Въз основа на това къде отиват, ние казваме на дизайнерите на мисии каква ще бъде тяхната космическа среда и те се връщат при нас със своите планове за инструменти и питат: „Тези части ще оцелеят ли там?“ Отговорът винаги е да, не или не знам. Ако не знаем, тогава правим допълнителни тестове. Това е по-голямата част от нашата работа."

Изследванията на НАСА ще продължат и ще се разширяват през предстоящата ера на мисия Артемида. , както ракетата SLS, така и космическият кораб Orion ще бъдат снабдени със сензори, измерващи нивата на радиация в дълбокия космос отвъд Луната - по-специално разглеждайки разликите в относителните нива отвъд земните пояси на Ван Алън. Събраните данни и извлечените уроци от тези първоначални полети без екипаж ще помогнат на инженерите на НАСА да изградят по-добри, по-защитни космически кораби в бъдеще.

И след като в крайна сметка бъде построен, екипажите на борда ще поддържа обширен набор от сензори за радиация, включително , проектиран да измерва внимателно и непрекъснато нивата в станцията, докато прави своята едноседмична продълговата орбита около луната.

„Разбирането на ефектите от радиационната среда е не само от решаващо значение за осъзнаването на средата, в която астронавтите ще живеят в близост до Луната, но също така ще предостави важни данни, които могат да бъдат използвани, докато НАСА се подготвя за още по-големи начинания, като изпращане на първите хора на Марс“, каза Дина Контела, мениджър за интеграция и използване на мисията на Gateway. .

НАСА може да използва магнитни мехурчета в бъдеще

Утрешните преходи в междупланетното пространство, където GCR и SEP са по-разпространени, ще изискват по-всеобхватна защита, отколкото могат да осигурят сегашните пасивни екраниращи материали и прогнозите за космическото време. И тъй като собствената магнитосфера на Земята се оказа толкова удобна, изследователи от Европейската комисия (CORDIS) проучиха създаването на достатъчно малък, за да се побере на космически кораб, наречен Щит за космическа радиация (SR2S).

Програмата SR2.7S на стойност 2 милиона евро, която се изпълняваше от 2013 до 2015 г., разшири идеята за използване на свръхпроводящи магнити за генериране на спиращо радиацията магнитно силово поле, създадено за първи път от бившия нацистки аерокосмически инженер Вернер фон Браун през 1969 г. Създаденото магнитно поле ще да бъде повече от 3,000 пъти по-концентрирана от тази, която обгражда Земята и ще се простира в 10-метрова сфера.

„В рамките на проекта през следващите месеци ще тестваме намотка на състезателна писта, навита със свръхпроводяща лента MgB2“, Бернардо Бордини, координатор на дейността на CERN в рамките на проекта SR2S, . "Прототипната намотка е проектирана да определи количествено ефективността на свръхпроводящата магнитна екранираща технология."

Той няма да блокира цялата входяща радиация, но ефективно ще отсее най-вредните видове, като GCR, който протича през пасивно екраниране като вода през гевгир. Чрез намаляване на скоростта, с която астронавтите са изложени на радиация, те ще могат да служат на повече и по-продължителни мисии, преди да достигнат лимита за експозиция на НАСА през целия живот.

„Тъй като магнитосферата отклонява космическите лъчи, насочени към Земята, магнитното поле, генерирано от свръхпроводящ магнит, обграждащ космическия кораб, ще защити екипажа“, каза д-р Рикардо Мусенич, научен и технически ръководител на проекта. през 2014 г. „SR2S е първият проект, който не само изследва принципите и научните проблеми (на магнитното екраниране), но също така се сблъсква със сложните проблеми в инженерството.“

Две свръхпроводящи намотки вече са конструирани и тествани, за изграждане на леки магнити, но това е много предварително проучване, имайте предвид. Екипът на CORDIS не очаква тази технология да стигне до космоса за още няколко десетилетия.

Изследователи от катедрата по астрономия на Университета на Уисконсин – Медисън наскоро се заеха с разработването на своя собствена версия на идеята на CORDIS. Техен Проектът (CREW HaT), който получи финансиране за прототипи от програмата на НАСА за иновативни усъвършенствани концепции (NIAC) през февруари, използва „нова технология за свръхпроводяща лента, разгъваем дизайн и нова конфигурация за магнитно поле, което не е било изследвано преди“, според доцента на UWM и водещия автор на изследванията, каза д-р Елена Д'Онгия през май.

„Геометрията на HaT никога досега не е била изследвана в този контекст или изучавана в комбинация със съвременни свръхпроводящи ленти“, каза тя в . „Той отклонява над 50 процента от увреждащите биологията космически лъчи (протони под 1 GeV) и високоенергийни йони с висока Z. Това е достатъчно, за да се намали дозата на радиация, погълната от астронавтите до ниво, което е по-малко от 5 процента от нивата на прекомерен риск от смъртност от рак през целия живот, установени от НАСА.

Или астронавтите могат да носят оловни жилетки, за да защитят личните си лица

Но защо да се опитвате да магнитно капсулирате цял космически кораб, когато наистина това са само шепа торси и глави, които всъщност се нуждаят от защита? Това е идеята зад (КОБИЛА).

Разработени в партньорство с Израелската космическа агенция (ISA) и Германския аерокосмически център (DLR), две от жилетките MARE ще бъдат завързани на борда на идентични манекени и изстреляни в космоса на борда на лунната мисия без екипаж на Орион. По време на своя триседмичен полет манекените, наречени Хелга и Зохар, ще пътуват на около 280,000 XNUMX мили от Земята и хиляди мили покрай Луната. Техните вътрешности са проектирани да имитират човешки кости и меки тъкани, което позволява на изследователите да измерват специфичните дози радиация, които получават.

Неговият брат и сестра учат на борда на МКС, (CHARGE), се фокусира по-малко върху ефективността на жилетката срещу радиация и повече върху ергономията, прилягането и усещането за нея, докато астронавтите изпълняват ежедневните си задължения. Европейската космическа агенция също така разследва радиационната защита на основата на дрехи , „аварийно устройство, което има за цел да предпази астронавтите от интензивна слънчева радиация, когато пътуват извън магнитосферата по време на бъдещи мисии в дълбокия космос“.

Или ще напълним корабните корпуси с вода и как!

Една щастлива среда между близкия дискомфорт от носенето на оловна престилка в микрогравитация и екзистенциалното притеснение от потенциално разбъркани синапси от мощен електромагнит е известен като .

„Природата не използва компресори, изпарители, контейнери с литиев хидроксид, кислородни свещи или процесори за урина“, твърди Марк М. Коен Arch.D в документа от 2013 г. . „За много дългосрочна работа – като междупланетен космически кораб, космическа станция или лунна/планетарна база – тези активни електромеханични системи са склонни да бъдат податливи на отказ, тъй като непрекъснатите работни цикли затрудняват поддръжката.

Така че, вместо да разчита на тежки и сложни механизации за обработка на отпадъчните материали, които астронавтите отделят по време на мисия, тази система използва осмотични торби, които имитират собствените пасивни средства на природата за пречистване на водата. В допълнение към третирането на сива и черна вода, тези торби могат също да бъдат адаптирани за почистване на CO2 от въздуха, отглеждане на водорасли за храна и гориво и могат да бъдат облицовани срещу вътрешния корпус на космически кораб, за да осигурят превъзходна пасивна защита срещу високоенергийни частици.

„Водата е по-добра от металите за защита от радиация“, каза Марко Дуранте от Техническия университет в Дармщат в Германия . Това е така, защото триатомното ядро ​​на водна молекула съдържа повече маса от метален атом и следователно е по-ефективно при блокиране на GCR и други високоенергийни лъчи, продължи той.

Екипажът на борда на предложената мисия Inspiration Mars, която щеше да изстреля двойка частни астронавти около Марс в грандиозно прелитане, докато двете планети бяха на най-близката си орбита през 2018 г. Не сте чували нищо за това, защото тихо се провали през 2015 г. Но ако бяха успели някак си този подвиг, планът беше астронавтите да се изкарат в торби, да извадят течността за повторна употреба и след това да натрупат вакуумно запечатаните гадни тухли по стените на космическия кораб — заедно с кутиите им храна - да действа като радиационна изолация.

„Звучи малко гадно, но няма къде да отиде този материал и прави страхотна защита от радиация“, каза Табер Маккалум, член на нестопанската организация, финансирана от Денис Тито. New Scientist. "Храната ще се съхранява навсякъде около стените на космическия кораб, защото храната е добра радиационна защита." Това е само бърза разходка до следващата планета, кой има нужда от водопровод и прехрана?