Hvordan NASA kan beskytte morgendagens astronauter fra romstråling

Ther er , enten det er fra eller , eller . Og er død ved stråling.

De samme energiske utslippene fra vår lokale stjerne som gir deg en brunfarge hvis den ikke gjør det . Mens dagens lavbanebesetning og lastkapsler kanskje ikke kommer utstyrt med egne miniatyrmagnetosfærer, kan morgendagens kanskje – eller kanskje vi bare beskytter menneskehetens første dype romfarere fra interstellar stråling ved å .

Typer stråling og hva du skal gjøre med dem

Som slag og folkens, er det forskjellige typer og kilder til stråling både terrestrisk og i verdensrommet. Ikke-ioniserende stråling, som betyr at atomet ikke har nok energi til å fjerne et elektron fullstendig fra sin bane, kan finnes i mikrobølger, lyspærer og solenergipartikler (SEP) som . Selv om disse formene for stråling kan skade materialer og biologiske systemer, kan effektene deres vanligvis blokkeres (derav solkrem og mikrobølger som ikke bestråler hele kjøkken) eller skjermet av ozonlaget eller .

Jordens strålingsbelter er fylt med energiske partikler fanget av jordas magnetfelt som kan skape kaos med elektronikk vi sender til verdensrommet. Studiepoeng: NASAs Scientific Visualization Studio/Tom Bridgman

Ioniserende stråling, på den annen side, er energisk for å kaste et elektron, og det er ikke mye som kan bremse deres positivt ladede momentum. Alfa- og beta-partikler, gammastråler, røntgenstråler og galaktiske kosmiske stråler, "tunge, høyenergi-ioner av grunnstoffer som har fått alle elektronene strippet bort mens de reiste gjennom galaksen med nesten lysets hastighet." . "GCR er en dominerende kilde til stråling som må håndteres ombord på nåværende romfartøy og fremtidige romoppdrag i vårt solsystem." GCR-intensiteten er omvendt proporsjonal med den relative styrken til solens magnetfelt, noe som betyr at de er sterkest når solens felt er på sitt svakeste og minst i stand til å avlede dem.

Til tross for deres forskjellige natur, både GCR og SEP sammen med våre biologiske kropper selv. Deres fortsatte bombardement har en kumulativ negativ effekt på menneskelig fysiologi som resulterer ikke bare i kreft, men grå stær, nevrologiske skader, mutasjoner i kimlinje og akutt strålesyke hvis dosen er høy nok. For materialer kan høyenergipartikler og fotoner forårsake "midlertidig skade eller permanent svikt i romfartøyets materialer eller enheter," bemerker Zicai Shen fra Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering i 2019. .

"Ladede partikler mister gradvis energi når de passerer gjennom materialet, og til slutt fanger de et tilstrekkelig antall elektroner til å stoppe," la de til. "Når tykkelsen på skjermingsmaterialet er større enn rekkevidden til en ladet partikkel i materialet, vil de innfallende partiklene blokkeres i materialet."

Hvordan NASA for øyeblikket beskytter astronautene sine

For å sikre at morgendagens astronauter ankommer Mars med alle tenner og negler intakte, har NASA brukt nesten fire tiår på å samle inn data og studere effektene stråling har på menneskekroppen. Byråets (SRAG) ved Johnson Space Center er, ifølge nettstedet, "ansvarlig for å sikre at strålingseksponeringen mottatt av astronauter forblir under ».

, "den typiske gjennomsnittsdosen for en person er omtrent 360 mrems per år, eller 3.6 mSv, som er en liten dose. Imidlertid tillater internasjonale standarder eksponering for så mye som 5,000 mrems (50 mSv) i året for de som jobber med og rundt radioaktivt materiale. For romfart er grensen høyere. NASA-grensen for strålingseksponering i lav bane rundt jorden er 50 mSv/år, eller 50 rem/år.»

SRAGs rommiljøoffiserer (SEO-er) har i oppgave å sikre at astronautene kan fullføre oppdraget sitt uten å absorbere for mange RAD-er. De tar hensyn til de ulike miljø- og situasjonsfaktorene som er tilstede under en romferd – enten astronautene er i LEO eller på månens overflate, om de blir i romfartøyet eller tar en romvandring, eller – kombinerer og modellerer denne informasjonen med data samlet inn fra i tillegg til , for å ta sine beslutninger.

De ved Goddard Space Flight Center, tjener omtrent samme formål som SRAG, men for mekaniske systemer, og jobber for å utvikle mer effektiv skjerming og mer robuste materialer for bruk i bane.

"Vi vil være i stand til å sikre at mennesker, elektronikk, romfartøy og instrumenter - alt vi faktisk sender ut i verdensrommet - vil overleve i miljøet vi setter det i," sa Megan Casey, en romfartsingeniør i REAG i en . "Basert på hvor de skal, forteller vi oppdragsdesignere hvordan rommiljøet deres vil være, og de kommer tilbake til oss med instrumentplanene sine og spør: 'Kommer disse delene til å overleve der?" Svaret er alltid ja, nei, eller jeg vet ikke. Hvis vi ikke vet, er det da vi gjør ytterligere tester. Det er det aller meste av jobben vår.»

NASAs forskning vil fortsette og utvides gjennom den kommende Artemis-oppdragstiden. , vil både SLS-raketten og Orion-romfartøyet være utstyrt med sensorer som måler strålingsnivåer i det dype rommet utenfor månen - spesifikt ser på forskjellene i relative nivåer utenfor jordens Van Allen-belter. Data som samles inn og erfaringer fra disse første ubemannede flyvningene vil hjelpe NASA-ingeniører med å bygge bedre og mer beskyttende romfartøy i fremtiden.

Og når den til slutt blir bygget, kommer mannskapene ombord vil opprettholde en ekspansiv strålingssensorsuite, inkludert , designet for å nøye og kontinuerlig måle nivåer innenfor stasjonen mens den gjør sin ukelange avlange bane rundt månen.

«Å forstå effekten av strålingsmiljøet er ikke bare avgjørende for bevisstheten om miljøet der astronauter vil bo i nærheten av månen, men det vil også gi viktige data som kan brukes når NASA forbereder seg på enda større anstrengelser, som å sende første mennesker til Mars, sa Dina Contella, leder for Gateway Mission Integration and Utilization, i .

NASA kan bruke magnetiske bobler i fremtiden

Morgendagens vandringer inn i det interplanetariske rommet, hvor GCR og SEP er mer utbredt, kommer til å kreve mer omfattende beskyttelse enn dagens toppmoderne passive skjermingsmaterialer og værvarsling av rom kan levere. Og siden jordens egen magnetosfære har vist seg så hendig, har forskere med EU-kommisjonens (CORDIS) har forsket på å lage en liten nok til å passe på et romskip, kalt Space Radiation Superconducting Shield (SR2S).

SR2.7S-programmet på 2 millioner euro, som gikk fra 2013 til 2015, utvidet ideen om å bruke superledende magneter for å generere et strålingsstoppende magnetisk kraftfelt først utviklet av eks-nazistenes romfartsingeniør Wernher von Braun i 1969. Magnetfeltet som ble produsert ville være mer enn 3,000 ganger mer konsentrert enn den som omkranser jorden og vil strekke seg ut i en 10-meters kule.

"I rammen av prosjektet vil vi teste, i løpet av de kommende månedene, en racerbanespole viklet med en MgB2 superledende tape," Bernardo Bordini, koordinator for CERN-aktivitet i rammen av SR2S-prosjektet, . "Prototypespolen er designet for å kvantifisere effektiviteten til den superledende magnetiske skjermingsteknologien."

Det ville ikke blokkere all innkommende stråling, men effektivt sile ut de mest skadelige typene, som GCR, som strømmer gjennom passiv skjerming som vann gjennom et dørslag. Ved å senke hastigheten som astronauter blir utsatt for stråling, vil de kunne tjene på flere og lengre oppdrag før de når NASAs livstidseksponeringsgrense.

"Når magnetosfæren avleder kosmiske stråler rettet mot jorden, vil magnetfeltet generert av en superledende magnet som omgir romfartøyet beskytte mannskapet," sa Dr Riccardo Musenich, vitenskapelig og teknisk leder for prosjektet. i 2014. "SR2S er det første prosjektet som ikke bare undersøker prinsippene og de vitenskapelige problemene (med magnetisk skjerming), men som også møter komplekse problemstillinger innen ingeniørfag."

To superledende spoler er allerede konstruert og testet, å bygge lette magneter, men dette er veldig foreløpig forskning, vel å merke. CORDIS-teamet forventer ikke at denne teknologien skal komme ut i verdensrommet på ytterligere et par tiår.

Forskere fra University of Wisconsin–Madisons avdeling for astronomi har nylig satt i gang med å utvikle sin egen versjon av CORDIS' idé. Deres (CREW HaT)-prosjektet, som mottok prototypfinansiering fra NASAs Innovative Advanced Concepts (NIAC)-program i februar, bruker "ny superledende tape-teknologi, en utplasserbar design og en ny konfigurasjon for et magnetfelt som ikke har blitt utforsket før," ifølge UWM førsteamanuensis og hovedforfatter for forskning, fortalte Dr. Elena D'Onghia i mai.

"HaT-geometrien har aldri blitt utforsket før i denne sammenhengen eller studert i kombinasjon med moderne superledende bånd," sa hun i . "Den avleder over 50 prosent av de biologiskadelige kosmiske strålene (protoner under 1 GeV) og høyenergi høy-Z-ioner. Dette er tilstrekkelig til å redusere strålingsdosen absorbert av astronauter til et nivå som er mindre enn 5 prosent av livstidsrisikoen for kreftdødelighet fastsatt av NASA."

Eller astronauter kan bruke blyvester for å beskytte sine menige

Men hvorfor gå gjennom forsøket på å magnetisk innkapsle et helt romskip når det egentlig bare er en håndfull overkropper og hoder som faktisk trenger beskyttelsen? Det er tanken bak (HOPPE).

Utviklet i samarbeid med både Israel Space Agency (ISA) og German Aerospace Center (DLR), vil to av MARE-vestene festes ombord på identiske utstillingsdukker og skytes ut i verdensrommet ombord på Orions ubemannede måneoppdrag. På deres tre ukers flytur vil mannekengene, kalt Helga og Zohar, reise rundt 280,000 XNUMX miles fra jorden og tusenvis av miles forbi månen. Innmaten deres er designet for å etterligne menneskelige bein og bløtvev, slik at forskere kan måle de spesifikke stråledosene de mottar.

Dens søskenstudie ombord på ISS, den (CHARGE), fokuserer mindre på vestens anti-rad-effektivitet og mer på ergonomien, passformen og følelsen av den når astronauter utfører sine daglige plikter. Den europeiske romfartsorganisasjonen undersøker også plaggbasert strålingsskjerming med , en "nødenhet som tar sikte på å beskytte astronauter mot intens solstråling når de reiser ut av magnetosfæren på fremtidige Deep Space-oppdrag."

Eller vi vil fore skipsskrogene med vann og bæsj!

Et lykkelig medium mellom det nærliggende ubehaget ved å bære et blyholdig forkle i mikrogravitasjon og den eksistensielle bekymringen for potensielt å få synapsene dine forvrengt av en kraftig elektromagnet, er kjent som .

"Naturen bruker ingen kompressorer, fordampere, litiumhydroksidbeholdere, oksygenlys eller urinprosessorer," hevdet Marc M. Cohen Arch.D i avisen fra 2013 . "For svært langsiktig drift - som i et interplanetarisk romfartøy, romstasjon eller måne-/planetarisk base - har disse aktive elektromekaniske systemene en tendens til å være feilutsatte fordi de kontinuerlige driftssyklusene gjør vedlikehold vanskelig."

Så i stedet for å stole på tunge og kompliserte mekaniseringer for å behandle avfallsmaterialene som astronauter slipper ut under et oppdrag, bruker dette systemet osmoseposer som etterligner naturens egne passive måter å rense vann på. I tillegg til å behandle grått og svart vann, kan disse posene også tilpasses til å skrubbe CO2 fra luften, dyrke alger for mat og drivstoff, og kan fores mot det indre skroget til et romfartøy for å gi overlegen passiv skjerming mot høyenergipartikler.

"Vann er bedre enn metaller for beskyttelse mot stråling," sa Marco Durante ved det tekniske universitetet i Darmstadt i Tyskland. . Dette er fordi treatomkjernen til et vannmolekyl inneholder mer masse enn et metallatom og derfor er mer effektiv til å blokkere GCR og andre høyenergistråler, fortsatte han.

Mannskapet ombord på det foreslåtte Inspiration Mars-oppdraget, som ville ha slynget et par private astronauter rundt Mars i en spektakulær forbiflyvning mens de to planetene var på deres nærmeste bane i 2018. Du har ikke hørt noe om det fordi gikk stille under i 2015. Men hadde de på en eller annen måte klart den bragden, var planen å få astronautene til å bæsj i poser, sophon ut væsken for gjenbruk og deretter stable de vakuumforseglede shitbricks mot veggene til romfartøyet - ved siden av boksene deres. av mat - å fungere som strålingsisolasjon.

"Det høres litt kvalmt ut, men det er ikke noe sted for det materialet å gå, og det gir god strålingsskjerming," fortalte Taber MacCallum, et medlem av den ideelle organisasjonen finansiert av Dennis Tito. New Scientist. "Mat kommer til å bli lagret rundt hele romfartøyets vegger, fordi mat er god strålingsskjerming." Det er bare en rask tur til den neste planeten over, hvem trenger rørleggerarbeid og næring?