Kuidas NASA võib kaitsta homseid astronaute süvakosmosekiirguse eest

Tsiin on , kas see pärineb või või . Ja on kiirgussurm.

Need samad energeetilised heitmed meie kohalikult staarilt, mis annavad teile päevituse kui seda ei juhtu . Kuigi praegused madalal Maa orbiidil olevad meeskonna- ja kaubakapslid ei pruugi olla varustatud miniatuursete magnetosfääridega, siis homme – või võib-olla me lihtsalt kaitseme inimkonna esimesi süvakosmoseuurijaid tähtedevahelise kiirguse eest. .

Kiirguse tüübid ja mida nendega teha

Nagu lööki ja inimesi, on nii maapealsel kui ka kosmosel erinevat tüüpi kiirgust ja allikaid. Mitteioniseerivat kiirgust, mis tähendab, et aatomil ei ole piisavalt energiat elektroni orbiidilt täielikuks eemaldamiseks, võib leida mikrolainetest, elektripirnidest ja päikeseenergia osakestest (SEP). Kuigi need kiirgusvormid võivad kahjustada materjale ja bioloogilisi süsteeme, võib nende mõju tavaliselt blokeerida (seega päikesekaitsekreem ja mikrolained, mis ei kiirita terveid kööke) või osoonikihi või .

Maa kiirgusvööd on täidetud Maa magnetvälja lõksus olevate energeetiliste osakestega, mis võivad kosmosesse saadetava elektroonikaga hävitada. Autorid: NASA teaduslik visualiseerimisstuudio / Tom Bridgman

Teisest küljest on ioniseeriv kiirgus elektronide eraldamiseks energiline ja pole palju, mis võiks nende positiivselt laetud impulssi aeglustada. Alfa- ja beetaosakesed, gammakiired, röntgenikiirgus ja galaktika kosmilised kiired, "rasked, suure energiaga ioonid elementidest, millelt peaaegu valguse kiirusel läbi galaktika rännates on kõik elektronid eemaldatud". . "GCR on domineeriv kiirgusallikas, millega tuleb tegeleda praeguste kosmoselaevade ja tulevaste kosmosemissioonidega meie päikesesüsteemis." GCR intensiivsus on pöördvõrdeline Päikese magnetvälja suhtelise tugevusega, mis tähendab, et need on tugevaimad siis, kui Päikese väli on kõige nõrgem ja suudab neid kõige vähem kõrvale pöörata.

Vaatamata nende erinevale olemusele, nii GCR kui ka SEP koos meie bioloogiliste kehadega. Nende jätkuval pommitamisel on kumulatiivne negatiivne mõju inimese füsioloogiale, mille tulemuseks on mitte ainult vähk, vaid katarakt, neuroloogilised kahjustused, idutee mutatsioonid ja äge kiiritushaigus, kui annus on piisavalt suur. Materjalide puhul võivad suure energiaga osakesed ja footonid põhjustada "kosmoseaparaadi materjalide või seadmete ajutist kahjustust või püsivat riket," märgib Zicai Shen Pekingi Kosmoseaparaatide Keskkonnatehnika Instituudist 2019. aastal. .

"Laetud osakesed kaotavad materjali läbides järk-järgult energiat ja lõpuks hõivavad peatumiseks piisava arvu elektrone," lisasid nad. "Kui varjestusmaterjali paksus on suurem kui materjalis oleva laetud osakese ulatus, blokeeritakse langevad osakesed materjalis."

Kuidas NASA praegu oma astronaute kaitseb

Tagamaks, et homsed astronaudid jõuaksid Marsile tervete hammaste ja küüntega, on NASA kulutanud ligi neli aastakümmet andmete kogumisele ja kiirguse mõjude uurimisele inimkehale. Agentuuri oma (SRAG) Johnsoni kosmosekeskuses vastutab oma veebisaidi kohaselt "tagamise eest, et astronautidele saadav kiirgus jääb allapoole . "

, “tüüpiline keskmine doos inimesele on umbes 360 mremsi aastas ehk 3.6 mSv, mis on väike doos. Rahvusvahelised standardid lubavad aga radioaktiivse materjaliga ja selle läheduses töötavatel inimestel kokkupuudet kuni 5,000 mremi (50 mSv) aastas. Kosmoselendude puhul on piir kõrgem. NASA piirmäär kiirguseks madalal Maa orbiidil on 50 mSv aastas või 50 rem aastas.

SRAGi kosmosekeskkonna ametnike (SEO) ülesandeks on tagada, et astronaudid saaksid oma missiooni edukalt lõpule viia, ilma et nad neelaks liiga palju RAD-e. Need võtavad arvesse erinevaid kosmoselennu ajal esinevaid keskkonna- ja situatsioonitegureid – kas astronaudid on LEO-s või Kuu pinnal, kas nad jäävad kosmoselaevasse või teevad kosmoseskõnni või – kombineerivad ja modelleerivad seda teavet lennukilt kogutud andmetega. sama hästi kui , et teha oma otsuseid.

. Goddardi kosmoselennukeskuses teenib sama eesmärki kui SRAG, kuid mehaaniliste süsteemide jaoks, töötades välja tõhusama varjestuse ja vastupidavamate materjalide orbiidil kasutamiseks.

"Me suudame tagada, et inimesed, elektroonika, kosmoseaparaadid ja instrumendid – kõik, mida me tegelikult kosmosesse saadame – jäävad ellu keskkonnas, kuhu me selle paneme," ütles REAGi kosmoseinsener Megan Casey. . "Sõltuvalt sellest, kuhu nad lähevad, räägime missioonide disaineritele, milline saab olema nende ruumikeskkond, ja nad tulevad meie juurde tagasi oma instrumentide plaanidega ja küsivad: "Kas need osad jäävad seal ellu?" Vastus on alati jah, ei või ma ei tea. Kui me ei tea, siis teeme täiendavaid katseid. See on suurem osa meie tööst."

NASA uuringud jätkuvad ja laienevad kogu eelseisva Artemise missiooni ajastu jooksul. , varustatakse nii SLS-rakett kui ka Orioni kosmoseaparaat sensoritega, mis mõõdavad kiirgustaset sügavas kosmoses Kuust kaugemal – eriti vaadeldes suhteliste tasemete erinevusi väljaspool Maa Van Alleni vööde. Nendest esialgsetest meeskonnata lendudest kogutud andmed ja õppetunnid aitavad NASA inseneridel ehitada tulevikus paremaid ja kaitsvamaid kosmoselaevu.

Ja kui see lõpuks valmis saab, tulevad meeskonnad pardale säilitab ulatusliku kiirgusandurite komplekti, sealhulgas , mis on loodud jaama tasemete hoolikaks ja pidevaks mõõtmiseks, kui see teeb nädala pikkuse pikliku tiiru ümber Kuu.

"Kiirguskeskkonna mõjude mõistmine ei ole oluline mitte ainult teadvustamiseks keskkonnast, kus astronaudid Kuu läheduses elavad, vaid see annab ka olulisi andmeid, mida saab kasutada, kui NASA valmistub veelgi suuremateks ettevõtmisteks, näiteks astronaudide saatmiseks. esimesed inimesed Marsile," ütles Gateway missiooni integratsiooni ja kasutamise juht Dina Contella. .

NASA võib tulevikus kasutada magnetmulle

Homsed matkad planeetidevahelisse ruumi, kus GCR ja SEP on enam levinud, nõuavad põhjalikumat kaitset, kui praegused passiivsed varjestusmaterjalid ja kosmose ilmaennustused suudavad pakkuda. Ja kuna Maa enda magnetosfäär on osutunud nii käepäraseks, on Euroopa Komisjoni teadlased (CORDIS) on uurinud, et luua üks piisavalt väike, et see mahuks kosmoselaevale, nimega Space Radiation Superconducting Shield (SR2S).

2.7 miljoni euro suurune SR2S programm, mis kestis aastatel 2013–2015, laiendas ideed kasutada ülijuhtivaid magneteid kiirgust peatava magnetjõuvälja tekitamiseks, mille koostas 1969. aastal endine natside kosmoseinsener Wernher von Braun. Tekkinud magnetväli olema rohkem kui 3,000 korda kontsentreeritum kui Maad ümbritsev ja ulatuks 10-meetrise sfäärini.

"Projekti raames testime lähikuudel MgB2 ülijuhtiva lindiga mähitud võidusõiduraja mähist," ütles SR2S projekti raames CERNi tegevuse koordinaator Bernardo Bordini. . "Prototüüpmähis on loodud ülijuhtiva magnetilise varjestustehnoloogia efektiivsuse kvantifitseerimiseks."

See ei blokeeriks kogu sissetulevat kiirgust, kuid sõeluks tõhusalt välja kõige kahjulikumad tüübid, nagu GCR, mis voolab läbi passiivse varjestuse nagu vesi läbi kurn. Vähendades astronaudide kiirgusega kokkupuute kiirust, saavad nad teenida rohkem ja pikemaid missioone, enne kui jõuavad NASA eluaegse kokkupuute piirini.

"Kuna magnetosfäär suunab maa poole suunatud kosmilisi kiiri kõrvale, kaitseks kosmoselaeva ümbritseva ülijuhtiva magneti tekitatud magnetväli meeskonda," ütles projekti teadus- ja tehnikajuht dr Riccardo Musenich. 2014. aastal. "SR2S on esimene projekt, mis mitte ainult ei uuri (magnetilise varjestuse) põhimõtteid ja teaduslikke probleeme, vaid tegeleb ka keerukate inseneriprobleemidega."

Kaks ülijuhtivat mähist on juba konstrueeritud ja testitud, kergete magnetite ehitamiseks, kuid see on väga esialgne uuring, pange tähele. CORDISe meeskond ei eelda, et see tehnoloogia kosmosesse jõuab veel paar aastakümmet.

Wisconsini ülikooli Madisoni astronoomiaosakonna teadlased on hiljuti asunud välja töötama oma versiooni CORDISe ideest. Nende (CREW HaT) projekt, mis sai veebruaris NASA programmi Innovative Advanced Concepts (NIAC) rahastuse prototüüpide loomiseks, kasutab "uut ülijuhtiva lindi tehnoloogiat, juurutavat disaini ja uut magnetvälja konfiguratsiooni, mida pole varem uuritud". UWM-i dotsendi ja uuringute juhtivautori sõnul rääkis dr Elena D'Onghia maikuus.

"HaT geomeetriat pole selles kontekstis kunagi varem uuritud ega koos kaasaegsete ülijuhtivate lintidega uuritud," ütles ta . "See suunab kõrvale üle 50 protsendi bioloogiat kahjustavatest kosmilistest kiirtest (prootonid alla 1 GeV) ja kõrgema energiaga kõrge Z ioonid. See on piisav, et vähendada astronautide neeldunud kiirgusdoosi tasemeni, mis on vähem kui 5 protsenti NASA kehtestatud vähisuremuse eluea riskist.

Või võivad astronaudid kanda oma reameeste kaitsmiseks pliivest

Aga miks teha pingutusi kogu kosmoselaeva magnetiliseks kapseldamiseks, kui tegelikult vajab kaitset vaid käputäis torsosid ja päid? See on idee (MARE).

Koostöös nii Iisraeli kosmoseagentuuri (ISA) kui ka Saksamaa lennunduskeskusega (DLR) välja töötatud MARE vesti kinnitatakse kaks identsete mannekeenide pardale ja saadetakse kosmosesse Orioni meeskonnata kuu missioonil. Oma kolmenädalasel lennul sõidavad mannekeenid nimega Helga ja Zohar Maast umbes 280,000 XNUMX miili kaugusele ja Kuust mööda tuhandeid miile. Nende sisemus on loodud inimese luid ja pehmeid kudesid jäljendama, võimaldades teadlastel mõõta neile saadavaid spetsiifilisi kiirgusdoose.

Selle õdede-vendade uuring ISS-i pardal, (CHARGE), keskendub astronaudide igapäevaste tööülesannete täitmisel vähem vesti anti-radi efektiivsusele, vaid rohkem selle ergonoomilisusele, istuvusele ja tunnetusele. Euroopa Kosmoseagentuur uurib ka rõivapõhist kiirguskaitset , "hädaabiseade, mille eesmärk on kaitsta astronaute intensiivse päikesekiirguse eest, kui nad reisivad tulevastel süvakosmose missioonidel magnetosfäärist välja."

Või vooderdame laevakered vee ja kakaga!

Üks õnnelik keskkond mikrogravitatsioonis pliipõlle kandmisest tuleneva ebamugavustunde ja eksistentsiaalse mure vahel, mis võib olla tingitud sellest, et võimas elektromagnet võib teie sünapsid segada, on tuntud kui .

"Loodus ei kasuta kompressoreid, aurustajaid, liitiumhüdroksiidi kanistreid, hapnikuküünlaid ega uriiniprotsessoreid," väitis Marc M. Cohen Arch.D 2013. aasta artiklis. . "Väga pikaajaliseks tööks – nagu planeetidevahelises kosmoselaevas, kosmosejaamas või Kuu/planeedi baasis – kipuvad need aktiivsed elektromehaanilised süsteemid olema rikkeohtlikud, kuna pidevad töötsüklid muudavad hoolduse keeruliseks."

Seega, selle asemel, et tugineda rasketele ja keerukatele mehhaniseerimisele astronaudide missiooni käigus paisatavate jäätmematerjalide töötlemisel, kasutab see süsteem osmoosikotte, mis jäljendavad looduse enda passiivseid veepuhastusvahendeid. Lisaks halli ja musta vee töötlemisele saab neid kotte kohandada ka õhust CO2 puhastamiseks, toidu ja kütuse jaoks vetikate kasvatamiseks ning neid saab vooderdada vastu kosmoselaeva sisemist kere, et tagada suurepärane passiivne varjestus suure energiaga osakeste eest.

"Vesi on [kiirgus]kaitseks parem kui metallid," ütles Marco Durante Saksamaa Darmstadti tehnikaülikoolist. . Selle põhjuseks on asjaolu, et veemolekuli kolmeaatomiline tuum sisaldab rohkem massi kui metalliaatom ja on seetõttu tõhusam GCR-i ja muude suure energiaga kiirte blokeerimisel, jätkas ta.

Meeskond kavandatud Inspiration Marsi missioonil, mis oleks 2018. aastal lasknud paar eraastronaudi ümber Marsi, samal ajal kui kaks planeeti olid oma orbiidil XNUMX. aastal. Te pole sellest midagi kuulnud, sest 2015. aastal läks see vaikselt alla. Aga kui nad oleks selle vägiteoga kuidagi hakkama saanud, oli plaan lasta astronautidel kottidesse kakada, vedelik taaskasutamiseks välja tõmmata ja seejärel vaakumiga suletud klotse kuhjata vastu kosmoselaeva seinu – oma kastide kõrvale. toidust – toimima kiirgusisolatsioonina.

"See kõlab pisut tüütu, kuid sellel materjalil pole kohta kuhu minna ja see kaitseb suurepäraselt kiirguse eest," ütles Dennis Tito rahastatud mittetulundusühingu liige Taber MacCallum. New Scientist. "Toitu hoitakse kõikjal kosmoselaeva seinte ümber, sest toit on hea kiirguskaitse." See on lihtsalt kiire väljasõit järgmisele planeedile, kes vajab torustikku ja elatist?