Hvordan NASA kan beskytte morgendagens astronauter mod stråling fra det dybe rum

Ther er , uanset om det er fra eller , eller . Og er død ved stråling.

De samme energiske emissioner fra vores lokale stjerne, der giver dig en solbrun dåse hvis det ikke gør det . Mens nutidens besætning i lavt kredsløb om jorden og lastkapsler måske ikke er udstyret med deres egne miniaturemagnetosfærer, kan morgendagens måske - eller måske beskytter vi bare menneskehedens første dybe rumfarere mod interstellar stråling ved at .

Typer af stråling og hvad man skal gøre ved dem

Ligesom slagtilfælde og andre mennesker er der forskellige typer og kilder til stråling både på jorden og i rummet. Ikke-ioniserende stråling, hvilket betyder, at atomet ikke har nok energi til fuldt ud at fjerne en elektron fra dets kredsløb, kan findes i mikrobølger, pærer og solenergipartikler (SEP) som . Selvom disse former for stråling kan beskadige materialer og biologiske systemer, kan deres virkninger typisk blokeres (derfor solcreme og mikrobølger, der ikke bestråler hele køkkener) eller afskærmes af ozonlaget eller .

Jordens strålingsbælter er fyldt med energiske partikler fanget af Jordens magnetfelt, der kan skabe kaos med elektronik, vi sender til rummet. Kreditering: NASA's Scientific Visualization Studio/Tom Bridgman

Ioniserende stråling er på den anden side energisk til at kaste en elektron, og der er ikke meget, der kan bremse deres positivt ladede momentum. Alfa- og beta-partikler, gammastråler, røntgenstråler og galaktiske kosmiske stråler, "tunge, højenergi-ioner af grundstoffer, der har fået fjernet alle deres elektroner, mens de rejste gennem galaksen med næsten lysets hastighed." . "GCR er en dominerende kilde til stråling, der skal håndteres ombord på nuværende rumfartøjer og fremtidige rummissioner i vores solsystem." GCR-intensiteten er omvendt proportional med den relative styrke af Solens magnetfelt, hvilket betyder, at de er stærkest, når Solens felt er svagest og mindst i stand til at afbøje dem.

På trods af deres forskellige karakter, både GCR og SEP sammen med vores biologiske kroppe selv. Deres fortsatte bombardement har en kumulativ negativ effekt på menneskets fysiologi, hvilket ikke kun resulterer i kræft, men grå stær, neurologiske skader, kimlinjemutationer og akut strålesygdom, hvis dosis er høj nok. For materialer kan højenergipartikler og fotoner forårsage "midlertidig skade eller permanent fejl på rumfartøjsmaterialer eller -anordninger," bemærker Zicai Shen fra Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering i 2019's .

"Ladede partikler mister gradvist energi, når de passerer gennem materialet, og til sidst fanger et tilstrækkeligt antal elektroner til at stoppe," tilføjede de. "Når tykkelsen af ​​afskærmningsmaterialet er større end rækkevidden af ​​en ladet partikel i materialet, vil de indfaldende partikler blive blokeret i materialet."

Hvordan NASA i øjeblikket beskytter sine astronauter

For at sikre, at morgendagens astronauter ankommer til Mars med alle deres tænder og fingernegle intakte, har NASA brugt næsten fire årtier på at indsamle data og studere virkningerne stråling har på den menneskelige krop. Agenturets (SRAG) på Johnson Space Center er ifølge sin hjemmeside "ansvarlig for at sikre, at strålingseksponeringen modtaget af astronauter forbliver under ".

, "den typiske gennemsnitlige dosis for en person er omkring 360 mrems pr. år eller 3.6 mSv, hvilket er en lille dosis. Internationale standarder tillader dog eksponering for så meget som 5,000 mrems (50 mSv) om året for dem, der arbejder med og omkring radioaktivt materiale. For rumflyvning er grænsen højere. NASA-grænsen for strålingseksponering i lavt kredsløb om Jorden er 50 mSv/år eller 50 rem/år."

SRAGs Space Environment Officers (SEO'er) har til opgave at sikre, at astronauterne kan fuldføre deres mission uden at absorbere for mange RAD'er. De tager højde for de forskellige miljømæssige og situationelle faktorer, der er til stede under en rumflyvning - uanset om astronauterne er i LEO eller på månens overflade, om de bliver i rumfartøjet eller tager en rumvandring, eller - kombinerer og modellerer denne information med data indsamlet fra samt , for at træffe deres beslutninger.

på Goddard Space Flight Center, tjener stort set samme formål som SRAG, men for mekaniske systemer, der arbejder på at udvikle mere effektiv afskærmning og mere robuste materialer til brug i kredsløb.

"Vi vil være i stand til at sikre, at mennesker, elektronik, rumfartøjer og instrumenter - alt hvad vi faktisk sender ud i rummet - vil overleve i det miljø, vi sætter det i," sagde Megan Casey, en rumfartsingeniør i REAG i en . "Baseret på, hvor de skal hen, fortæller vi missionsdesignere, hvordan deres rummiljø vil være, og de vender tilbage til os med deres instrumentplaner og spørger: 'Skal disse dele overleve der?" Svaret er altid ja, nej, eller jeg ved det ikke. Hvis vi ikke ved det, er det, når vi laver yderligere test. Det er langt størstedelen af ​​vores job.”

NASAs forskning vil fortsætte og udvides gennem den kommende Artemis-missionæra. , vil både SLS-raketten og Orion-rumfartøjet være udstyret med sensorer, der måler strålingsniveauer i det dybe rum ud over månen - specifikt ser på forskellene i relative niveauer ud over Jordens Van Allen-bælter. Data indsamlet og erfaringer fra disse første ubemandede flyvninger vil hjælpe NASA-ingeniører med at bygge bedre og mere beskyttende rumfartøjer i fremtiden.

Og når det først bliver bygget, kommer besætningerne ombord vil opretholde en ekspansiv strålingssensorsuite, herunder , designet til omhyggeligt og kontinuerligt at måle niveauer i stationen, mens den foretager sin ugelange aflange bane rundt om månen.

"Forståelse af virkningerne af strålingsmiljøet er ikke kun afgørende for bevidstheden om miljøet, hvor astronauter vil leve i nærheden af ​​Månen, men det vil også give vigtige data, som kan bruges, når NASA forbereder sig på endnu større bestræbelser, som at sende første mennesker til Mars," sagde Dina Contella, leder for Gateway Mission Integration and Utilization, i .

NASA vil muligvis bruge magnetiske bobler i fremtiden

Morgendagens ture ind i det interplanetariske rum, hvor GCR og SEP er mere udbredte, kommer til at kræve mere omfattende beskyttelse, end de nuværende avancerede passive afskærmningsmaterialer og forudsigelser om vejrudsigt i rummet kan levere. Og da Jordens egen magnetosfære har vist sig så praktisk, har forskere med EU-Kommissionens (CORDIS) har forsket i at skabe en lille nok til at passe på et rumskib, kaldet Space Radiation Superconducting Shield (SR2S).

SR2.7S-programmet på 2 millioner euro, som løb fra 2013 til 2015, udvidede ideen om at bruge superledende magneter til at generere et strålingsstoppende magnetisk kraftfelt, som først blev udtænkt af den tidligere nazistiske rumfartsingeniør Wernher von Braun i 1969. Det magnetiske felt, der blev produceret, ville være mere end 3,000 gange mere koncentreret end den, der omkranser Jorden og ville strække sig ud i en 10-meters kugle.

"I rammerne af projektet vil vi i de kommende måneder teste en racerbanespole viklet med et MgB2 superledende tape," Bernardo Bordini, koordinator for CERN-aktiviteten inden for rammerne af SR2S-projektet, . "Prototypespolen er designet til at kvantificere effektiviteten af ​​den superledende magnetiske afskærmningsteknologi."

Det ville ikke blokere al indkommende stråling, men ville effektivt frasortere de mest skadelige typer, såsom GCR, der strømmer gennem passiv afskærmning som vand gennem et dørslag. Ved at sænke hastigheden, hvormed astronauter udsættes for stråling, vil de være i stand til at tjene på flere og længere varige missioner, før de rammer NASA's livstidseksponeringsgrænse.

"Når magnetosfæren afbøjer kosmiske stråler rettet mod jorden, vil det magnetiske felt, der genereres af en superledende magnet, der omgiver rumfartøjet, beskytte besætningen," fortalte Dr. Riccardo Musenich, videnskabelig og teknisk leder for projektet. i 2014. "SR2S er det første projekt, som ikke kun undersøger principperne og de videnskabelige problemer (med magnetisk afskærmning), men det står også over for de komplekse problemer inden for ingeniørvidenskab."

To superledende spoler er allerede blevet konstrueret og testet, at bygge letvægtsmagneter, men dette er meget foreløbig forskning, vel at mærke. CORDIS-teamet forventer ikke, at denne teknologi kommer ud i rummet i endnu et par årtier.

Forskere fra University of Wisconsin–Madisons Department of Astronomy er for nylig gået i gang med at udvikle deres egen version af CORDIS' idé. Deres (CREW HaT) projekt, som modtog prototypefinansiering fra NASAs Innovative Advanced Concepts (NIAC) program i februar, bruger "ny superledende tape-teknologi, et deployerbart design og en ny konfiguration til et magnetfelt, der ikke er blevet udforsket før." ifølge UWM lektor og hovedforfatter for forskning, fortalte Dr. Elena D'Onghia i Maj.

"HaT-geometrien er aldrig blevet udforsket før i denne sammenhæng eller studeret i kombination med moderne superledende bånd," sagde hun i . "Det omdirigerer over 50 procent af de biologisk skadelige kosmiske stråler (protoner under 1 GeV) og højere energi høj-Z ioner. Dette er tilstrækkeligt til at reducere den strålingsdosis, der absorberes af astronauter, til et niveau, der er mindre end 5 procent af livstidsrisikoen for kræftdødelighed fastsat af NASA."

Eller astronauter bærer måske blyveste for at beskytte deres menige

Men hvorfor gå igennem bestræbelserne på at magnetisk indkapsle et helt rumskib, når det virkelig kun er en håndfuld torsoer og hoveder, der rent faktisk har brug for beskyttelsen? Det er tanken bag (HOPPE).

Udviklet i samarbejde med både Israel Space Agency (ISA) og German Aerospace Center (DLR), vil to af MARE-vestene blive spændt ombord på identiske mannequiner og sendt ud i rummet ombord på Orion-bemandede månemission. På deres tre uger lange flyvning vil mannequinerne, ved navn Helga og Zohar, rejse omkring 280,000 miles fra Jorden og tusindvis af miles forbi månen. Deres indvolde er designet til at efterligne menneskelige knogler og blødt væv, hvilket gør det muligt for forskere at måle de specifikke strålingsdoser, de modtager.

Dets søskendestudie ombord på ISS, den (CHARGE), fokuserer mindre på vestens anti-rad effektivitet og mere på ergonomien, pasformen og følelsen af ​​den, når astronauter udfører deres daglige pligter. Den Europæiske Rumorganisation undersøger også beklædningsbaseret strålingsafskærmning med , en "nødanordning, der har til formål at beskytte astronauter mod intens solstråling, når de rejser ud af magnetosfæren på fremtidige Deep Space-missioner."

Eller vi vil fore skibsskrogene med vand og afføring!

Et lykkeligt medium mellem det tætte ubehag ved at bære et blyholdigt forklæde i mikrogravitation og den eksistentielle bekymring for potentielt at få dine synapser forvrænget af en kraftig elektromagnet er kendt som .

"Naturen bruger ingen kompressorer, fordampere, lithiumhydroxidbeholdere, iltlys eller urinprocessorer," argumenterede Marc M. Cohen Arch.D i avisen fra 2013 . "Til meget langsigtet drift - som i et interplanetarisk rumfartøj, rumstation eller måne-/planetbase - har disse aktive elektromekaniske systemer en tendens til at være udsat for fejl, fordi de kontinuerlige arbejdscyklusser gør vedligeholdelse vanskelig."

Så i stedet for at stole på tunge og komplicerede mekaniseringer til at behandle de affaldsmaterialer, som astronauter udsender under en mission, bruger dette system osmoseposer, der efterligner naturens egne passive midler til at rense vand. Ud over at behandle gråt og sort vand kan disse poser også tilpasses til at skrubbe CO2 fra luften, dyrke alger til mad og brændstof og kan fores mod det indre skrog af et rumfartøj for at give overlegen passiv afskærmning mod højenergipartikler.

"Vand er bedre end metaller til beskyttelse mod stråling," fortalte Marco Durante fra det tekniske universitet i Darmstadt i Tyskland. . Dette skyldes, at treatomkernen i et vandmolekyle indeholder mere masse end et metalatom og derfor er mere effektiv til at blokere GCR og andre højenergistråler, fortsatte han.

Besætningen ombord på den foreslåede Inspiration Mars-mission, som ville have slynget et par private astronauter rundt om Mars i en spektakulær forbiflyvning, mens de to planeter var tættest på deres orbital i 2018. Det har du ikke hørt noget om, fordi gik stille og roligt under i 2015. Men havde de på en eller anden måde lykkes med den bedrift, var planen at få astronauterne til at poppe i poser, udsuge væsken til genbrug og derefter stable de vakuumforseglede lortesten mod rumfartøjets vægge - ved siden af ​​deres kasser af mad - til at fungere som strålingsisolering.

"Det lyder lidt kvalmt, men der er ikke noget sted for det materiale at gå hen, og det giver en fantastisk strålingsafskærmning," fortalte Taber MacCallum, et medlem af nonprofit finansieret af Dennis Tito. New Scientist. "Mad vil blive opbevaret rundt om rumfartøjets vægge, fordi mad er god strålingsbeskyttelse." Det er bare en hurtig udflugt til den næste planet forbi, hvem har brug for VVS og næring?