Come la NASA potrebbe proteggere gli astronauti di domani dalle radiazioni dello spazio profondo

Tecco , sia che provenga da o , o . E è la morte per radiazioni.

Quelle stesse emissioni energetiche della nostra star locale che ti danno un'abbronzatura se non è così . Anche se l'equipaggio e le capsule cargo di oggi in orbita terrestre bassa potrebbero non essere dotati di magnetosfere in miniatura, quelle di domani potrebbero — o forse proteggeremo i primi esploratori dello spazio profondo dell'umanità dalle radiazioni interstellari .

Tipi di radiazioni e cosa fare al riguardo

Come gli ictus e le persone, ci sono diversi tipi e fonti di radiazioni sia terrestri che nello spazio. Le radiazioni non ionizzanti, il che significa che l'atomo non ha abbastanza energia per rimuovere completamente un elettrone dalla sua orbita, possono essere trovate nelle microonde, nelle lampadine e nelle particelle energetiche solari (SEP) come . Sebbene queste forme di radiazioni possano danneggiare materiali e sistemi biologici, i loro effetti possono essere in genere bloccati (quindi creme solari e microonde che non irradiano intere cucine) o schermati dallo strato di ozono o .

Le fasce di radiazione terrestre sono piene di particelle energetiche intrappolate dal campo magnetico terrestre che possono devastare l'elettronica che inviamo nello spazio. Crediti: Scientific Visualization Studio/Tom Bridgman della NASA

La radiazione ionizzante, d'altra parte, è energetica per liberare un elettrone e non c'è molto che possa rallentare la loro quantità di moto caricata positivamente. Particelle alfa e beta, raggi gamma, raggi X e raggi cosmici galattici, "ioni pesanti e ad alta energia di elementi a cui sono stati strappati via tutti i loro elettroni mentre viaggiavano attraverso la galassia quasi alla velocità della luce", . "I GCR sono una fonte dominante di radiazioni che devono essere affrontate a bordo delle attuali navicelle spaziali e delle future missioni spaziali all'interno del nostro sistema solare". L'intensità del GCR è inversamente proporzionale alla forza relativa del campo magnetico del Sole, il che significa che sono più forti quando il campo del Sole è più debole e meno in grado di deviarli.

Nonostante la loro natura dissimile, sia GCR che SEP insieme ai nostri stessi corpi biologici. Il loro continuo bombardamento ha un effetto negativo cumulativo sulla fisiologia umana con conseguente non solo cancro ma cataratta, danni neurologici, mutazioni germinali e malattie acute da radiazioni se la dose è sufficientemente alta. Per i materiali, particelle e fotoni ad alta energia possono causare "danni temporanei o guasti permanenti ai materiali o ai dispositivi dei veicoli spaziali", osserva Zicai Shen del Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering nel 2019 .

"Le particelle cariche perdono gradualmente energia mentre attraversano il materiale e, infine, catturano un numero sufficiente di elettroni per fermarsi", hanno aggiunto. "Quando lo spessore del materiale di schermatura è maggiore dell'intervallo di una particella carica nel materiale, le particelle incidenti verranno bloccate nel materiale".

Come la NASA attualmente protegge i suoi astronauti

Per garantire che gli astronauti di domani arrivino su Marte con tutti i denti e le unghie intatti, la NASA ha trascorso quasi quattro decenni raccogliendo dati e studiando gli effetti delle radiazioni sul corpo umano. L'agenzia (SRAG) presso il Johnson Space Center è, secondo il suo sito web, "responsabile di garantire che l'esposizione alle radiazioni ricevuta dagli astronauti rimanga al di sotto . "

, “la dose media tipica per una persona è di circa 360 mrem all'anno, o 3.6 mSv, che è una piccola dose. Tuttavia, gli standard internazionali consentono un'esposizione fino a 5,000 mrem (50 mSv) all'anno per coloro che lavorano con e intorno a materiale radioattivo. Per il volo spaziale, il limite è più alto. Il limite della NASA per l'esposizione alle radiazioni nell'orbita terrestre bassa è di 50 mSv/anno o 50 rem/anno".

Gli Space Environment Officer (SEO) di SRAG hanno il compito di garantire che gli astronauti possano completare con successo la loro missione senza assorbire troppi RAD. Prendono in considerazione i vari fattori ambientali e situazionali presenti durante un volo spaziale - se gli astronauti si trovano in LEO o sulla superficie lunare, se rimangono nella navicella spaziale o fanno una passeggiata nello spazio, oppure - combinano e modellano tali informazioni con i dati raccolti da così come , per prendere le proprie decisioni.

I presso il Goddard Space Flight Center, serve più o meno allo stesso scopo di SRAG ma per i sistemi meccanici, lavorando per sviluppare schermature più efficaci e materiali più robusti per l'uso in orbita.

"Saremo in grado di garantire che esseri umani, elettronica, veicoli spaziali e strumenti - tutto ciò che stiamo effettivamente inviando nello spazio - sopravviva nell'ambiente in cui lo stiamo inserendo", ha detto Megan Casey, un ingegnere aerospaziale del REAG in un . "In base a dove stanno andando, diciamo ai progettisti della missione come sarà il loro ambiente spaziale, e loro tornano da noi con i loro piani strumentali e chiedono: 'Queste parti sopravviveranno lì?' La risposta è sempre sì, no, o non lo so. Se non lo sappiamo, è allora che eseguiamo ulteriori test. Questa è la stragrande maggioranza del nostro lavoro”.

La ricerca della NASA continuerà e si espanderà durante l'imminente era della missione Artemis. , sia il razzo SLS che la navicella spaziale Orion saranno dotati di sensori che misurano i livelli di radiazione nello spazio profondo oltre la luna, esaminando in particolare le differenze nei livelli relativi oltre le cinture di Van Allen della Terra. I dati raccolti e le lezioni apprese da questi primi voli senza equipaggio aiuteranno gli ingegneri della NASA a costruire veicoli spaziali migliori e più protettivi in ​​futuro.

E una volta che alla fine viene costruito, gli equipaggi a bordo manterrà un'ampia suite di sensori di radiazione, incluso il , progettato per misurare attentamente e continuamente i livelli all'interno della stazione mentre compie la sua orbita oblunga di una settimana attorno alla luna.

"Comprendere gli effetti dell'ambiente delle radiazioni non è solo fondamentale per la consapevolezza dell'ambiente in cui vivranno gli astronauti in prossimità della Luna, ma fornirà anche dati importanti che possono essere utilizzati mentre la NASA si prepara per sforzi ancora più grandi, come l'invio di primi umani su Marte", ha affermato Dina Contella, manager per Gateway Mission Integration and Utilization .

La NASA potrebbe utilizzare bolle magnetiche in futuro

I viaggi di domani nello spazio interplanetario, dove GCR e SEP sono più diffusi, richiederanno una protezione più completa di quella che possono offrire i materiali di schermatura passiva allo stato dell'arte e le previsioni meteorologiche spaziali. E poiché la magnetosfera terrestre si è dimostrata così utile, i ricercatori della Commissione europea (CORDIS) hanno studiato la creazione di uno abbastanza piccolo da stare su un'astronave, soprannominato Space Radiation Superconducting Shield (SR2S).

Il programma SR2.7S da 2 milioni di euro, che si è svolto dal 2013 al 2015, ha ampliato l'idea di utilizzare magneti superconduttori per generare un campo di forza magnetica che interrompe le radiazioni ideato per la prima volta dall'ex ingegnere aerospaziale nazista Wernher von Braun nel 1969. Il campo magnetico prodotto sarebbe essere più di 3,000 volte più concentrato di quello che circonda la Terra e si estenderebbe in una sfera di 10 metri.

“Nell'ambito del progetto, testeremo, nei prossimi mesi, una bobina da pista avvolta con un nastro superconduttore MgB2”, Bernardo Bordini, coordinatore delle attività del CERN nell'ambito del progetto SR2S, . "La bobina prototipo è progettata per quantificare l'efficacia della tecnologia di schermatura magnetica superconduttiva".

Non bloccherebbe tutte le radiazioni in arrivo, ma schermarebbe efficacemente i tipi più dannosi, come il GCR, che scorre attraverso una schermatura passiva come l'acqua attraverso uno scolapasta. Riducendo la velocità con cui gli astronauti sono esposti alle radiazioni, saranno in grado di servire in missioni di maggiore durata prima di raggiungere il limite di esposizione a vita della NASA.

"Dato che la magnetosfera devia i raggi cosmici diretti verso la terra, il campo magnetico generato da un magnete superconduttore che circonda il veicolo spaziale proteggerebbe l'equipaggio", ha detto il dottor Riccardo Musenich, responsabile tecnico e scientifico del progetto. nel 2014. “SR2S è il primo progetto che non solo indaga i principi e i problemi scientifici (della schermatura magnetica), ma affronta anche le complesse problematiche ingegneristiche.”

Sono già state costruite e testate due bobine superconduttrici, per costruire magneti leggeri ma questa è una ricerca molto preliminare, intendiamoci. Il team di CORDIS non prevede che questa tecnologia arriverà nello spazio per un altro paio di decenni.

I ricercatori del Dipartimento di astronomia dell'Università del Wisconsin-Madison hanno recentemente iniziato a sviluppare la propria versione dell'idea di CORDIS. I loro (CREW HaT), che ha ricevuto finanziamenti per la prototipazione dal programma Innovative Advanced Concepts (NIAC) della NASA a febbraio, utilizza "una nuova tecnologia a nastro superconduttivo, un design dispiegabile e una nuova configurazione per un campo magnetico che non è stato esplorato prima", secondo il professore associato UWM e autore principale della ricerca, ha detto la dott.ssa Elena D'Onghia a maggio.

"La geometria HaT non è mai stata esplorata prima in questo contesto o studiata in combinazione con i moderni nastri superconduttivi", ha affermato in . “Devia oltre il 50 percento dei raggi cosmici dannosi per la biologia (protoni al di sotto di 1 GeV) e ioni ad alta energia Z ad alta energia. Questo è sufficiente per ridurre la dose di radiazioni assorbita dagli astronauti a un livello inferiore al 5% del rischio di mortalità per cancro in eccesso stabilito dalla NASA.

Oppure gli astronauti potrebbero indossare giubbotti di piombo per proteggere le loro parti intime

Ma perché affrontare lo sforzo di incapsulare magneticamente un'intera astronave quando in realtà sono solo una manciata di torsi e teste che hanno effettivamente bisogno della protezione? Questa è l'idea alla base del (MARE).

Sviluppati in collaborazione con l'Agenzia spaziale israeliana (ISA) e il Centro aerospaziale tedesco (DLR), due dei giubbotti MARE saranno fissati a bordo di manichini identici e lanciati nello spazio a bordo della missione lunare senza equipaggio Orion. Durante il loro volo di tre settimane, i manichini, chiamati Helga e Zohar, percorreranno circa 280,000 miglia dalla Terra e migliaia di miglia oltre la luna. Le loro viscere sono progettate per imitare le ossa umane e i tessuti molli, consentendo ai ricercatori di misurare le dosi di radiazioni specifiche che ricevono.

Il suo studio fratello a bordo della ISS, il (CHARGE), si concentra meno sull'efficacia anti-raggi del giubbotto e più sull'ergonomia, sulla vestibilità e sulla sensazione mentre gli astronauti svolgono i loro compiti quotidiani. L'Agenzia spaziale europea sta anche studiando la schermatura dalle radiazioni basata sugli indumenti con il , un "dispositivo di emergenza che mira a proteggere gli astronauti dall'intensa radiazione solare quando viaggiano fuori dalla magnetosfera in future missioni nello spazio profondo".

Oppure rivestiremo gli scafi delle navi con acqua e cacca!

Una via di mezzo tra il disagio ravvicinato di indossare un grembiule di piombo in condizioni di microgravità e la preoccupazione esistenziale di avere le sinapsi potenzialmente disturbate da un potente elettromagnete è noto come .

"La natura non utilizza compressori, evaporatori, contenitori di idrossido di litio, candele di ossigeno o processori di urina", ha affermato Marc M. Cohen Arch.D, nel documento del 2013 . "Per il funzionamento a lunghissimo termine - come in un veicolo spaziale interplanetario, una stazione spaziale o una base lunare/planetaria - questi sistemi elettromeccanici attivi tendono a essere soggetti a guasti perché i cicli di lavoro continui rendono difficile la manutenzione".

Quindi, piuttosto che fare affidamento su meccanizzazioni pesanti e complicate per elaborare i materiali di scarto che gli astronauti emettono durante una missione, questo sistema utilizza sacche di osmosi che imitano i mezzi passivi della natura per purificare l'acqua. Oltre a trattare le acque grigie e nere, queste sacche potrebbero anche essere adattate per rimuovere la CO2 dall'aria, coltivare alghe per cibo e carburante e possono essere rivestite contro lo scafo interno di un veicolo spaziale per fornire una schermatura passiva superiore contro le particelle ad alta energia.

"L'acqua è migliore dei metalli per la protezione [dalle radiazioni]", ha detto Marco Durante dell'Università tecnica di Darmstadt in Germania . Questo perché il nucleo a tre atomi di una molecola d'acqua contiene più massa di un atomo di metallo e quindi è più efficace nel bloccare GCR e altri raggi ad alta energia, ha continuato.

L'equipaggio a bordo della proposta missione Inspiration Mars, che avrebbe fiondato una coppia di astronauti privati ​​intorno a Marte in uno spettacolare sorvolo mentre i due pianeti erano nel loro orbitale più vicino nel 2018. Non ne hai sentito parlare perché fallito silenziosamente nel 2015. Ma se in qualche modo avessero portato a termine quell'impresa, il piano era di fare in modo che gli astronauti facessero la cacca nei sacchetti, aspirassero il liquido per il riutilizzo e poi ammucchiassero i mattoni sottovuoto contro le pareti dell'astronave, insieme alle loro scatole di cibo — per fungere da isolamento dalle radiazioni.

"Suona un po' nauseante, ma non c'è posto per quel materiale, ed è un'ottima schermatura dalle radiazioni", ha detto Taber MacCallum, un membro dell'organizzazione no profit finanziata da Dennis Tito New Scientist. "Il cibo sarà immagazzinato tutt'intorno alle pareti della navicella spaziale, perché il cibo è una buona schermatura dalle radiazioni". È solo una rapida gita al prossimo pianeta, chi ha bisogno di impianti idraulici e di sostentamento?