Hoe NASA de astronauten van morgen zou kunnen beschermen tegen straling in de diepe ruimte

Thier zijn, of het nu van of is, of . En is dood door straling.

Diezelfde energetische emissies van onze lokale ster waar je een bruin kleurtje van krijgt als dat niet het geval is . Hoewel de huidige bemanning en vrachtcapsules in een lage baan om de aarde misschien niet zijn uitgerust met miniatuurmagnetosferen, zal de macht van morgen – of misschien zullen we de eerste diepe ruimteverkenners van de mensheid gewoon beschermen tegen interstellaire straling door .

Soorten straling en wat u eraan kunt doen

Net als beroertes en mensen zijn er verschillende soorten en bronnen van straling, zowel op aarde als in de ruimte. Niet-ioniserende straling, wat betekent dat het atoom niet genoeg energie heeft om een ​​elektron volledig uit zijn baan te verwijderen, kan worden aangetroffen in microgolven, gloeilampen en zonne-energetische deeltjes (SEP), zoals . Hoewel deze vormen van straling materialen en biologische systemen kunnen beschadigen, kunnen de effecten ervan doorgaans worden geblokkeerd (vandaar zonnebrandcrème en microgolven die niet hele keukens bestralen) of worden afgeschermd door de ozonlaag.

De stralingsgordels van de aarde zijn gevuld met energetische deeltjes die gevangen zitten in het magnetische veld van de aarde en grote schade kunnen aanrichten aan de elektronica die we naar de ruimte sturen. Credits: NASA's Scientific Visualization Studio/Tom Bridgman

Ioniserende straling daarentegen is energiek om een ​​elektron af te stoten en er is niet veel dat hun positief geladen momentum kan vertragen. Alfa- en bètadeeltjes, gammastraling, röntgenstraling en galactische kosmische straling, ‘zware, hoogenergetische ionen van elementen waarvan al hun elektronen zijn weggenomen terwijl ze met bijna de snelheid van het licht door de Melkweg reisden’ . “GCR is een dominante stralingsbron waarmee moet worden omgegaan aan boord van de huidige ruimtevaartuigen en toekomstige ruimtemissies binnen ons zonnestelsel.” De GCR-intensiteit is omgekeerd evenredig met de relatieve sterkte van het magnetische veld van de zon, wat betekent dat ze het sterkst zijn wanneer het veld van de zon het zwakst is en ze het minst kan afbuigen.

Ondanks hun verschillende aard, zijn zowel GCR als SEP samen met onze biologische lichamen zelf. Hun voortdurende bombardement heeft een cumulatief negatief effect op de menselijke fysiologie, wat niet alleen resulteert in kanker, maar ook in cataract, neurologische schade, kiemlijnmutaties en acute stralingsziekte als de dosis hoog genoeg is. Wat materialen betreft: hoogenergetische deeltjes en fotonen kunnen “tijdelijke schade of permanent falen van materialen of apparaten van ruimtevaartuigen veroorzaken”, merkt Zicai Shen van het Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering op in de publicatie van 2019. .

“Geladen deeltjes verliezen geleidelijk energie als ze door het materiaal gaan, en vangen uiteindelijk een voldoende aantal elektronen op om te stoppen,” voegde ze eraan toe. “Wanneer de dikte van het afschermingsmateriaal groter is dan het bereik van een geladen deeltje in het materiaal, worden de invallende deeltjes in het materiaal geblokkeerd.”

Hoe NASA momenteel zijn astronauten beschermt

Om ervoor te zorgen dat de astronauten van morgen met intacte tanden en vingernagels op Mars aankomen, heeft NASA bijna veertig jaar lang gegevens verzameld en de effecten van straling op het menselijk lichaam bestudeerd. Van het agentschap (SRAG) van het Johnson Space Center is volgens haar website “verantwoordelijk om ervoor te zorgen dat de blootstelling aan straling die astronauten ontvangen onder de . '

, “de typische gemiddelde dosis voor een persoon is ongeveer 360 mrems per jaar, of 3.6 mSv, wat een kleine dosis is. Internationale normen staan ​​echter blootstelling aan maar liefst 5,000 mrems (50 mSv) per jaar toe voor degenen die met en rond radioactief materiaal werken. Voor ruimtevluchten ligt de limiet hoger. De NASA-limiet voor blootstelling aan straling in een lage baan om de aarde is 50 mSv/jaar, of 50 rem/jaar.”

De Space Environment Officers (SEO's) van SRAG hebben tot taak ervoor te zorgen dat de astronauten hun missie met succes kunnen voltooien zonder al te veel RAD's te absorberen. Ze houden rekening met de verschillende omgevings- en situationele factoren die tijdens een ruimtevlucht aanwezig zijn - of de astronauten zich nu in LEO of op het maanoppervlak bevinden, of ze in het ruimtevaartuig blijven of een ruimtewandeling maken, of - combineren en modelleren die informatie met gegevens verzameld uit net zoals , om hun beslissingen te nemen.

De bij Goddard Space Flight Center, dient vrijwel hetzelfde doel als SRAG, maar dan voor mechanische systemen, waarbij wordt gewerkt aan de ontwikkeling van effectievere afscherming en robuustere materialen voor gebruik in een baan om de aarde.

“We zullen ervoor kunnen zorgen dat mensen, elektronica, ruimtevaartuigen en instrumenten – alles wat we daadwerkelijk de ruimte in sturen – zullen overleven in de omgeving waarin we het plaatsen”, zei Megan Casey, een lucht- en ruimtevaartingenieur bij de REAG. . “Op basis van waar ze naartoe gaan, vertellen we missieontwerpers hoe hun ruimteomgeving eruit zal zien, en ze komen bij ons terug met hun instrumentplannen en vragen: 'Gaan deze onderdelen daar overleven?' Het antwoord is altijd ja, nee, of ik weet het niet. Als we het niet weten, doen we aanvullende tests. Dat is het overgrote deel van ons werk.”

Het onderzoek van NASA zal worden voortgezet en uitgebreid gedurende het komende Artemis-missietijdperk. zullen zowel de SLS-raket als het Orion-ruimtevaartuig worden uitgerust met sensoren die de stralingsniveaus in de verre ruimte voorbij de maan meten – waarbij specifiek wordt gekeken naar de verschillen in relatieve niveaus buiten de Van Allen-gordels van de aarde. De verzamelde gegevens en de lessen die uit deze eerste onbemande vluchten zijn geleerd, zullen NASA-ingenieurs helpen in de toekomst betere, beter beschermende ruimtevaartuigen te bouwen.

En als het eenmaal gebouwd is, komen de bemanningen aan boord zal een uitgebreide reeks stralingssensoren onderhouden, inclusief de , ontworpen om zorgvuldig en voortdurend de niveaus in het station te meten terwijl het zijn langwerpige baan van een week rond de maan maakt.

“Het begrijpen van de effecten van de stralingsomgeving is niet alleen van cruciaal belang voor het bewustzijn van de omgeving waarin astronauten in de buurt van de maan zullen leven, maar het zal ook belangrijke gegevens opleveren die kunnen worden gebruikt terwijl NASA zich voorbereidt op nog grotere inspanningen, zoals het sturen van de eerste mensen naar Mars,” zei Dina Contella, manager voor Gateway Mission Integration and Utilization .

NASA zou in de toekomst magnetische bubbels kunnen gebruiken

De tochten van morgen naar de interplanetaire ruimte, waar GCR en SEP vaker voorkomen, zullen een uitgebreidere bescherming vereisen dan de huidige state-of-the-art passieve afschermingsmaterialen en voorspellingen van ruimteweersvoorspellingen kunnen bieden. En omdat de eigen magnetosfeer van de aarde zo handig is gebleken, werken onderzoekers samen met die van de Europese Commissie (CORDIS) hebben onderzoek gedaan naar het creëren van een exemplaar dat klein genoeg is om op een ruimteschip te passen, genaamd het Space Radiation Superconducting Shield (SR2S).

Het 2.7 miljoen euro kostende SR2S-programma, dat liep van 2013 tot 2015, breidde het idee uit om supergeleidende magneten te gebruiken om een ​​stralingsremmend magnetisch krachtveld te genereren dat voor het eerst werd bedacht door ex-nazi-luchtvaart- en ruimtevaartingenieur Wernher von Braun in 1969. Het geproduceerde magnetische veld zou meer dan 3,000 keer geconcentreerder zijn dan die rond de aarde en zich uitstrekken in een bol van 10 meter.

“In het kader van het project zullen we de komende maanden een racebaanspoel testen die is gewikkeld met een MgB2 supergeleidende tape,” Bernardo Bordini, coördinator van CERN-activiteit in het kader van het SR2S-project, . “De prototypespoel is ontworpen om de effectiviteit van de supergeleidende magnetische afschermingstechnologie te kwantificeren.”

Het zou niet alle binnenkomende straling blokkeren, maar zou op efficiënte wijze de meest schadelijke soorten afschermen, zoals GCR, dat door passieve afscherming stroomt zoals water door een vergiet. Door de snelheid waarmee astronauten aan straling worden blootgesteld te verlagen, kunnen ze meer en langere missies uitvoeren voordat ze de levenslange blootstellingslimiet van NASA bereiken.

“Terwijl de magnetosfeer kosmische straling afbuigt die naar de aarde is gericht, zou het magnetische veld dat wordt gegenereerd door een supergeleidende magneet rond het ruimtevaartuig de bemanning beschermen”, vertelde dr. Riccardo Musenich, wetenschappelijk en technisch manager van het project. in 2014. “SR2S is het eerste project dat niet alleen de principes en de wetenschappelijke problemen (van magnetische afscherming) onderzoekt, maar ook wordt geconfronteerd met de complexe problemen in de techniek.”

Er zijn al twee supergeleidende spoelen gebouwd en getest, om lichtgewichtmagneten te bouwen, maar dit is zeer voorlopig onderzoek, let wel. Het CORDIS-team verwacht niet dat deze technologie nog een paar decennia de ruimte in zal gaan.

Onderzoekers van de afdeling Astronomie van de Universiteit van Wisconsin-Madison zijn onlangs begonnen met het ontwikkelen van hun eigen versie van het idee van CORDIS. Hun (CREW HaT)-project, dat in februari financiering voor prototypen ontving van NASA's Innovative Advanced Concepts (NIAC)-programma, maakt gebruik van "nieuwe supergeleidende tapetechnologie, een inzetbaar ontwerp en een nieuwe configuratie voor een magnetisch veld dat nog niet eerder is onderzocht", volgens UWM universitair hoofddocent en hoofdauteur van het onderzoek, vertelde Dr. Elena D'Onghia in mei.

“De HaT-geometrie is nog nooit eerder in deze context onderzocht of bestudeerd in combinatie met moderne supergeleidende tapes”, zei ze in . “Het leidt meer dan 50 procent van de kosmische straling die schadelijk is voor de biologie (protonen onder de 1 GeV) en hoog-Z-ionen met hogere energie af. Dit is voldoende om de door astronauten geabsorbeerde stralingsdosis terug te brengen tot een niveau dat minder is dan 5 procent van het levenslange extra risico op kankersterfte, vastgesteld door de NASA.”

Of astronauten kunnen loden vesten dragen om hun geslachtsdelen te beschermen

Maar waarom zou je de moeite doen om een ​​heel ruimteschip magnetisch in te kapselen, terwijl het eigenlijk maar een handvol torso's en hoofden zijn die eigenlijk bescherming nodig hebben? Dat is het idee achter de (MERRIE).

Ontwikkeld in samenwerking met zowel het Israel Space Agency (ISA) als het Duitse Lucht- en Ruimtevaartcentrum (DLR), zullen twee van de MARE-vesten aan boord van identieke mannequins worden vastgebonden en de ruimte in worden gelanceerd aan boord van de onbemande maanmissie Orion. Tijdens hun drie weken durende vlucht zullen de mannequins, genaamd Helga en Zohar, zo'n 280,000 kilometer van de aarde en duizenden kilometers voorbij de maan reizen. Hun ingewanden zijn ontworpen om menselijke botten en zacht weefsel na te bootsen, waardoor onderzoekers de specifieke stralingsdoses kunnen meten die ze ontvangen.

Zijn broer of zus studeert aan boord van het ISS, de (CHARGE), richt zich minder op de anti-rad-effectiviteit van het vest en meer op de ergonomie, pasvorm en gevoel ervan terwijl astronauten hun dagelijkse taken uitvoeren. De European Space Agency doet ook onderzoek naar op kleding gebaseerde stralingsafscherming met de , een “noodapparaat dat tot doel heeft astronauten te beschermen tegen intense zonnestraling wanneer ze de magnetosfeer verlaten voor toekomstige Deep Space-missies.”

Of we bekleden de scheepsrompen met water en poep!

Een gulden middenweg tussen het bijna ongemak van het dragen van een loden schort in microzwaartekracht en de existentiële zorg dat je synapsen mogelijk door een krachtige elektromagneet worden vervormd, staat bekend als .

“De natuur gebruikt geen compressoren, verdampers, lithiumhydroxidebussen, zuurstofkaarsen of urineverwerkers”, betoogde Marc M. Cohen Arch.D in de paper uit 2013 . “Voor gebruik op zeer lange termijn – zoals in een interplanetair ruimtevaartuig, ruimtestation of maan-/planetaire basis – zijn deze actieve elektromechanische systemen vaak storingsgevoelig omdat de continue werkcycli het onderhoud bemoeilijken.”

Dus in plaats van te vertrouwen op zware en ingewikkelde mechanismen om de afvalstoffen te verwerken die astronauten tijdens een missie uitstoten, maakt dit systeem gebruik van osmosezakken die de passieve manier van de natuur om water te zuiveren nabootsen. Deze zakken kunnen niet alleen grijs en zwart water behandelen, maar kunnen ook worden aangepast om CO2 uit de lucht te halen, algen te laten groeien voor voedsel en brandstof, en kunnen tegen de binnenromp van een ruimtevaartuig worden geplaatst om superieure passieve bescherming te bieden tegen deeltjes met hoge energie.

“Water is beter dan metalen voor bescherming tegen straling”, vertelde Marco Durante van de Technische Universiteit van Darmstadt in Duitsland. . Dit komt omdat de drie-atoomkern van een watermolecuul meer massa bevat dan een metaalatoom en daarom effectiever is in het blokkeren van GCR en andere hoogenergetische stralen, vervolgde hij.

De bemanning aan boord van de voorgestelde Inspiration Mars-missie, die een paar privé-astronauten rond Mars zou hebben geschoten in een spectaculaire vlucht terwijl de twee planeten zich in 2018 het dichtst bij hun baan bevonden. Daar heb je niets over gehoord, want ging in 2015 stilletjes ten onder. Maar als ze dat op de een of andere manier voor elkaar hadden gekregen, was het plan om de astronauten in zakken te laten poepen, de vloeistof eruit te zuigen voor hergebruik en vervolgens de vacuümverzegelde strontstenen tegen de wanden van het ruimtevaartuig te stapelen – naast hun dozen. van voedsel – om te fungeren als stralingsisolatie.

“Het klinkt een beetje misselijk, maar er is geen plek waar dat materiaal naartoe kan, en het zorgt voor een uitstekende bescherming tegen straling,” vertelde Taber MacCallum, lid van de non-profitorganisatie gefinancierd door Dennis Tito. New Scientist. “Voedsel zal rondom de wanden van het ruimtevaartuig worden opgeslagen, omdat voedsel een goede stralingsafscherming is.” Het is maar een kort uitstapje naar de volgende planeet. Wie heeft er loodgieterswerk en levensonderhoud nodig?