Jak by NASA mohla chránit zítřejší astronauty před radiací z hlubokého vesmíru

Tzde jsou , ať už z nebo , nebo . A je smrt ozářením.

Stejné energetické emise z naší místní hvězdy, které vás opálí pokud ne . Zatímco dnešní posádka na nízké oběžné dráze Země a nákladní kapsle nemusí být vybaveny miniaturními magnetosférami samy o sobě, zítřejší ano – nebo možná jen ochráníme první průzkumníky hlubokého vesmíru lidstva před mezihvězdným zářením. .

Druhy záření a co s nimi dělat

Stejně jako mrtvice a lidé existují různé typy a zdroje záření jak na zemi, tak ve vesmíru. Neionizující záření, což znamená, že atom nemá dostatek energie k úplnému odstranění elektronu ze své oběžné dráhy, lze nalézt v mikrovlnách, žárovkách a solárních energetických částicích (SEP), jako jsou . Zatímco tyto formy záření mohou poškodit materiály a biologické systémy, jejich účinky mohou být obvykle blokovány (proto opalovací krém a mikrovlny, které neozáří celé kuchyně) nebo stíněny ozónovou vrstvou nebo .

Radiační pásy Země jsou naplněny energetickými částicemi zachycenými magnetickým polem Země, které mohou způsobit zmatek s elektronikou, kterou vysíláme do vesmíru. Poděkování: Vědecké vizualizační studio NASA/Tom Bridgman

Ionizující záření je na druhé straně energické pro uvolnění elektronu a není mnoho, co by mohlo zpomalit jejich kladně nabitou hybnost. Alfa a beta částice, gama záření, rentgenové záření a galaktické kosmické záření, „těžké, vysokoenergetické ionty prvků, kterým byly odstraněny všechny elektrony, když putovaly galaxií téměř rychlostí světla“. . "GCR jsou dominantním zdrojem záření, se kterým je třeba se vypořádat na palubě současných kosmických lodí a budoucích vesmírných misí v naší sluneční soustavě." Intenzita GCR je nepřímo úměrná relativní síle magnetického pole Slunce, což znamená, že jsou nejsilnější, když je pole Slunce nejslabší a nejméně schopné je vychýlit.

Navzdory jejich odlišné povaze, jak GCR, tak SEP spolu s našimi biologickými těly samotnými. Jejich pokračující bombardování má kumulativní negativní účinek na lidskou fyziologii, což má za následek nejen rakovinu, ale i kataraktu, neurologické poškození, zárodečné mutace a akutní nemoc z ozáření, pokud je dávka dostatečně vysoká. U materiálů mohou vysokoenergetické částice a fotony způsobit „dočasné poškození nebo trvalé selhání materiálů nebo zařízení kosmických lodí,“ poznamenává Zicai Shen z Pekingského institutu kosmického inženýrství životního prostředí v roce 2019. .

"Nabité částice postupně ztrácejí energii, když procházejí materiálem, a nakonec zachytí dostatečný počet elektronů, aby se zastavily," dodali. "Když je tloušťka stínícího materiálu větší než rozsah nabitých částic v materiálu, dopadající částice budou v materiálu zablokovány."

Jak NASA v současné době chrání své astronauty

Aby se zajistilo, že zítřejší astronauti dorazí na Mars se všemi zuby a nehty nedotčenými, strávila NASA téměř čtyři desetiletí shromažďováním dat a studiem účinků záření na lidské tělo. Agentura (SRAG) v Johnsonově vesmírném středisku je podle svých webových stránek „odpovědná za zajištění toho, že radiační expozice, kterou astronauti obdrží, zůstane pod . "

, „typická průměrná dávka pro člověka je asi 360 mrems za rok, neboli 3.6 mSv, což je malá dávka. Mezinárodní standardy však umožňují expozici až 5,000 50 mrems (50 mSv) ročně pro ty, kteří pracují s radioaktivním materiálem a kolem něj. Pro lety do vesmíru je limit vyšší. Limit NASA pro radiační expozici na nízké oběžné dráze Země je 50 mSv/rok, neboli XNUMX rem/rok."

Důstojníci vesmírného prostředí SRAG (SEO) mají za úkol zajistit, aby astronauti mohli úspěšně dokončit svou misi, aniž by absorbovali příliš mnoho RAD. Berou v úvahu různé environmentální a situační faktory přítomné během kosmického letu – ať už jsou astronauti v LEO nebo na měsíčním povrchu, zda zůstávají v kosmické lodi nebo se vydají na procházku vesmírem, nebo – kombinují a modelují tyto informace s daty shromážděnými z jakož i , aby činili svá rozhodnutí.

Projekt v Goddard Space Flight Center, slouží téměř stejnému účelu jako SRAG, ale pro mechanické systémy, které pracují na vývoji účinnějšího stínění a robustnějších materiálů pro použití na oběžné dráze.

„Budeme schopni zajistit, že lidé, elektronika, kosmické lodě a přístroje – vše, co skutečně posíláme do vesmíru – přežije v prostředí, do kterého to umístíme,“ uvedla Megan Casey, letecká inženýrka v REAG. . "Na základě toho, kam jdou, říkáme konstruktérům misí, jaké bude jejich vesmírné prostředí, a oni se k nám vrátí se svými plány přístrojů a ptají se: 'Přežijí tam tyto části?" Odpověď je vždy ano, ne nebo nevím. Pokud to nevíme, provádíme další testování. To je velká většina naší práce.“

Výzkum NASA bude pokračovat a rozšiřovat se během nadcházející éry mise Artemis. Raketa SLS i kosmická loď Orion budou vybaveny senzory měřícími úrovně radiace v hlubokém vesmíru za Měsícem – konkrétně se zaměří na rozdíly v relativních úrovních mimo pozemské Van Allenovy pásy. Shromážděná data a ponaučení z těchto počátečních letů bez posádky pomohou inženýrům NASA postavit v budoucnu lepší a lépe chráněné kosmické lodě.

A jakmile to nakonec bude postaveno, posádky na palubu bude udržovat rozsáhlou sadu radiačních senzorů, včetně , navržený tak, aby pečlivě a neustále měřil hladiny uvnitř stanice, když se vydává na týdenní podlouhlou oběžnou dráhu kolem Měsíce.

„Porozumění účinkům radiačního prostředí je klíčové nejen pro povědomí o prostředí, kde budou astronauti žít v blízkosti Měsíce, ale také poskytne důležitá data, která mohou být použita, když se NASA připravuje na ještě větší úsilí, jako je zasílání první lidé na Mars,“ řekla Dina Contella, manažerka pro integraci a využití misí brány .

NASA by mohla v budoucnu použít magnetické bubliny

Zítřejší výpravy do meziplanetárního prostoru, kde převládají GCR a SEP, budou vyžadovat komplexnější ochranu, než jaké mohou poskytnout současné nejmodernější materiály pasivního stínění a předpovědi kosmického počasí. A protože se vlastní magnetosféra Země ukázala jako užitečná, vědci s Evropskou komisí (CORDIS) zkoumali vytvoření jednoho dostatečně malého, aby se vešel na vesmírnou loď, nazvaný Space Radiation Superconducting Shield (SR2S).

Program SR2.7S v hodnotě 2 milionu EUR, který probíhal v letech 2013 až 2015, rozšířil myšlenku použití supravodivých magnetů k vytvoření magnetického silového pole zastavujícího záření, které poprvé vymyslel bývalý nacistický letecký inženýr Wernher von Braun v roce 1969. Vytvořené magnetické pole by být více než 3,000krát koncentrovanější než ten, který obklopuje Zemi a rozprostírá se v 10metrové kouli.

„V rámci projektu budeme v následujících měsících testovat závodní cívku navinutou supravodivou páskou MgB2,“ Bernardo Bordini, koordinátor činnosti CERNu v rámci projektu SR2S, . "Prototypová cívka je navržena tak, aby kvantifikovala účinnost supravodivé technologie magnetického stínění."

Neblokoval by veškeré příchozí záření, ale účinně by odclonil ty nejškodlivější typy, jako je GCR, který protéká pasivním stíněním jako voda přes cedník. Snížením rychlosti, s jakou jsou astronauti vystaveni radiaci, budou moci sloužit na více a déle trvajících misích, než narazí na limit celoživotní expozice NASA.

"Jak magnetosféra odklání kosmické paprsky nasměrované k Zemi, magnetické pole generované supravodivým magnetem obklopujícím kosmickou loď by ochránilo posádku," řekl Dr Riccardo Musenich, vědecký a technický manažer projektu. v roce 2014. „SR2S je první projekt, který nejen zkoumá principy a vědecké problémy (magnetického stínění), ale také čelí složitým problémům v inženýrství.“

Dvě supravodivé cívky již byly zkonstruovány a testovány, stavět lehké magnety, ale toto je velmi předběžný výzkum, pamatujte si. Tým CORDIS nepředpokládá, že by se tato technologie dostala do vesmíru dalších několik desetiletí.

Vědci z University of Wisconsin-Madison's Department of Astronomy se nedávno pustili do vývoje vlastní verze myšlenky CORDIS. Jejich Projekt (CREW HaT), který v únoru získal finanční prostředky na výrobu prototypů z programu NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC), využívá „novou technologii supravodivých pásek, rozmístitelný design a novou konfiguraci pro magnetické pole, která dosud nebyla prozkoumána“. podle docenta UWM a hlavní autorky výzkumů, řekla Dr. Elena D'Onghia v květnu.

"Geometrie HaT nebyla nikdy předtím v tomto kontextu prozkoumána ani studována v kombinaci s moderními supravodivými páskami," řekla . "Odvádí více než 50 procent biologického škodlivého kosmického záření (protony pod 1 GeV) a iontů s vyšší energií s vysokým Z. To je dostatečné ke snížení radiační dávky absorbované astronauty na úroveň, která je menší než 5 procent celoživotního nadměrného rizika úmrtnosti na rakovinu stanovené NASA.

Nebo by astronauti mohli nosit olověné vesty, aby chránili své soukromí

Ale proč se snažit magneticky zapouzdřit celou vesmírnou loď, když je to ve skutečnosti jen hrstka trupů a hlav, které skutečně potřebují ochranu? To je myšlenka za (KOBYLA).

Dvě z vest MARE, vyvinuté ve spolupráci s Izraelskou vesmírnou agenturou (ISA) a Německým leteckým a kosmickým střediskem (DLR), budou připevněny na palubě identických figurín a vypuštěny do vesmíru na palubě mise na Měsíc bez posádky Orion. Na svém třítýdenním letu figuríny jménem Helga a Zohar urazí asi 280,000 XNUMX mil od Země a tisíce mil za Měsíc. Jejich vnitřnosti jsou navrženy tak, aby napodobovaly lidské kosti a měkké tkáně, což výzkumníkům umožňuje měřit konkrétní dávky záření, které dostávají.

Jeho sourozenecká studie na palubě ISS, the (CHARGE), se méně zaměřuje na antiradovou účinnost vesty a více na ergonomii, padnutí a pocit z ní, když astronauti plní své každodenní povinnosti. Evropská kosmická agentura také vyšetřuje radiační stínění na oděvu , „nouzové zařízení, jehož cílem je chránit astronauty před intenzivním slunečním zářením při cestování mimo magnetosféru na budoucí mise Deep Space“.

Nebo vyložíme trupy lodí vodou a hovínkem!

Jedno šťastné médium mezi nepohodlím z těsné blízkosti nošení olověné zástěry v mikrogravitaci a existenčním strachem, že vaše synapse potenciálně zašifruje silný elektromagnet, je známý jako .

„Příroda nepoužívá žádné kompresory, výparníky, kanystry s hydroxidem lithným, kyslíkové svíčky ani zpracovatele moči,“ argumentoval Marc M. Cohen Arch.D v dokumentu z roku 2013. . "Pro velmi dlouhodobý provoz - jako v meziplanetární kosmické lodi, vesmírné stanici nebo měsíční/planetární základně - tyto aktivní elektromechanické systémy mají tendenci být náchylné k selhání, protože nepřetržité pracovní cykly ztěžují údržbu."

Spíše než se spoléhat na těžkou a komplikovanou mechanizaci při zpracování odpadních materiálů, které astronauti vypouštějí během mise, využívá tento systém osmotické vaky, které napodobují vlastní pasivní prostředky přírody k čištění vody. Kromě úpravy šedé a černé vody by tyto vaky mohly být také přizpůsobeny k čištění CO2 ze vzduchu, pěstování řas pro potravu a palivo a mohou být obloženy vnitřním trupem kosmické lodi, aby poskytovaly vynikající pasivní stínění proti vysokoenergetickým částicím.

„Voda je pro ochranu [radiace] lepší než kovy,“ řekl Marco Durante z Technické univerzity v Darmstadtu v Německu. . Je to proto, že tříatomové jádro molekuly vody obsahuje více hmoty než atom kovu, a proto je účinnější při blokování GCR a dalších vysokoenergetických paprsků, pokračoval.

Posádka na palubě navrhované mise Inspiration Mars, která by při spektakulárním průletu kolem Marsu sestřelila pár soukromých astronautů, zatímco obě planety byly v roce 2018 nejblíže orbitálním dráhám. O tom jste nic neslyšeli, protože v roce 2015 tiše ztroskotali. Ale pokud by se jim to nějak podařilo, plán byl nechat astronauty nacpat se do pytlů, vysát tekutinu pro opětovné použití a pak navršit vakuově zatavené cihly ke stěnám kosmické lodi – vedle jejich krabic potravin — působit jako radiační izolace.

"Zní to trochu nechutně, ale ten materiál není kam jít a navíc skvěle chrání před zářením," řekl Taber MacCallum, člen neziskové organizace financované Dennisem Titem. New Scientist. "Potraviny se budou skladovat všude kolem stěn kosmické lodi, protože jídlo dobře chrání před radiací." Je to jen rychlý výlet na další planetu, kdo potřebuje instalatérské práce a výživu?