Jak NASA może chronić przyszłych astronautów przed promieniowaniem kosmicznym

Ttutaj są , czy to od czy , lub . I to śmierć przez promieniowanie.

Te same energetyczne emisje z naszej lokalnej gwiazdy, które dają Ci opaleniznę jeśli nie . Podczas gdy dzisiejsza załoga i kapsuły ładunkowe na niskiej orbicie okołoziemskiej mogą nie być wyposażone we własne miniaturowe magnetosfery, jutro może — a może po prostu ochronimy pierwszych badaczy głębokiego kosmosu przed promieniowaniem międzygwiazdowym przez .

Rodzaje promieniowania i co z nimi zrobić

Podobnie jak udary i ludzie, istnieją różne rodzaje i źródła promieniowania, zarówno naziemne, jak i kosmiczne. Promieniowanie niejonizujące, co oznacza, że ​​atom nie ma wystarczającej energii, aby całkowicie usunąć elektron ze swojej orbity, można znaleźć w mikrofalach, żarówkach i cząstkach energii słonecznej (SEP), takich jak . Chociaż te formy promieniowania mogą uszkadzać materiały i systemy biologiczne, ich działanie może być zazwyczaj blokowane (stąd filtry przeciwsłoneczne i mikrofale, które nie naświetlają całej kuchni) lub ekranowane przez warstwę ozonową lub .

Pasy radiacyjne Ziemi są wypełnione energetycznymi cząsteczkami uwięzionymi przez pole magnetyczne Ziemi, które mogą siać spustoszenie w elektronice, którą wysyłamy w kosmos. Kredyty: Naukowe Studio Wizualizacji NASA/Tom Bridgman

Z drugiej strony promieniowanie jonizujące jest energetyczne, aby odrzucić elektron i niewiele może spowolnić ich dodatnio naładowanego pędu. Cząstki alfa i beta, promienie gamma, promienie rentgenowskie i galaktyczne promienie kosmiczne, „ciężkie, wysokoenergetyczne jony pierwiastków, z których wszystkie elektrony zostały odebrane, gdy podróżowały przez galaktykę prawie z prędkością światła” . „GCR są dominującym źródłem promieniowania, z którym należy sobie poradzić na pokładzie obecnych statków kosmicznych i przyszłych misji kosmicznych w naszym Układzie Słonecznym”. Intensywność GCR jest odwrotnie proporcjonalna do względnej siły pola magnetycznego Słońca, co oznacza, że ​​są one najsilniejsze, gdy pole Słońca jest najsłabsze i najmniej zdolne do ich odchylania.

Pomimo odmiennej natury zarówno GCR, jak i SEP wraz z samymi naszymi biologicznymi ciałami. Ich ciągłe bombardowanie ma skumulowany negatywny wpływ na fizjologię człowieka, powodując nie tylko raka, ale także zaćmę, uszkodzenia neurologiczne, mutacje zarodkowe i ostrą chorobę popromienną, jeśli dawka jest wystarczająco wysoka. W przypadku materiałów cząstki i fotony o wysokiej energii mogą powodować „czasowe uszkodzenie lub trwałą awarię materiałów lub urządzeń statku kosmicznego”, zauważa Zicai Shen z Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering w 2019 roku. .

„Naładowane cząstki stopniowo tracą energię, gdy przechodzą przez materiał, a na koniec wychwytują wystarczającą liczbę elektronów, aby się zatrzymać” – dodali. „Gdy grubość materiału ekranującego jest większa niż zakres naładowanej cząstki w materiale, padające cząstki zostaną zablokowane w materiale”.

Jak NASA obecnie chroni swoich astronautów

Aby zapewnić, że przyszli astronauci przybędą na Marsa z nienaruszonymi zębami i paznokciami, NASA poświęciła prawie cztery dekady na zbieranie danych i badanie wpływu promieniowania na ludzkie ciało. Agencja (SRAG) w Johnson Space Center jest, według swojej strony internetowej, „odpowiedzialny za zapewnienie, że narażenie na promieniowanie, jakie otrzymują astronauci, pozostaje poniżej ".

, „typowa średnia dawka dla osoby wynosi około 360 mremów rocznie lub 3.6 mSv, co jest małą dawką. Jednak normy międzynarodowe dopuszczają ekspozycję na nawet 5,000 mremów (50 mSv) rocznie dla tych, którzy pracują z materiałami radioaktywnymi i wokół nich. W przypadku lotów kosmicznych limit jest wyższy. Limit NASA dotyczący narażenia na promieniowanie na niskiej orbicie okołoziemskiej wynosi 50 mSv/rok lub 50 rem/rok”.

Funkcjonariusze SRAG ds. Środowiska Kosmicznego (SEO) mają za zadanie upewnić się, że astronauci mogą pomyślnie ukończyć swoją misję bez pochłaniania zbyt wielu RAD. Biorą pod uwagę różne czynniki środowiskowe i sytuacyjne obecne podczas lotu kosmicznego — czy astronauci znajdują się w LEO, czy na powierzchni Księżyca, czy pozostają w statku kosmicznym, czy odbywają spacer kosmiczny, lub — łączą i modelują te informacje z danymi zebranymi z jak również , aby podejmować decyzje.

Połączenia w Centrum Lotów Kosmicznych Goddarda służy w dużej mierze temu samemu celowi co SRAG, ale dla systemów mechanicznych, pracując nad opracowaniem skuteczniejszych ekranów i bardziej wytrzymałych materiałów do użytku na orbicie.

„Będziemy w stanie zapewnić, że ludzie, elektronika, statki kosmiczne i instrumenty – wszystko, co faktycznie wysyłamy w kosmos – przetrwają w środowisku, w którym je umieszczamy” – powiedziała Megan Casey, inżynier lotnictwa w REAG. . „Na podstawie tego, dokąd zmierzają, mówimy projektantom misji, jakie będzie ich środowisko kosmiczne, a oni wracają do nas ze swoimi planami instrumentów i pytają: „Czy te części tam przetrwają?” Odpowiedź zawsze brzmi tak, nie lub nie wiem. Jeśli nie wiemy, wtedy wykonujemy dodatkowe testy. To zdecydowana większość naszej pracy.”

Badania NASA będą kontynuowane i rozwijane w nadchodzącej erze misji Artemis. , zarówno rakieta SLS, jak i statek kosmiczny Orion będą wyposażone w czujniki mierzące poziom promieniowania w głębokiej przestrzeni poza Księżycem – w szczególności przyglądając się różnicom we względnych poziomach poza ziemskimi pasami Van Allena. Zebrane dane i wnioski wyciągnięte z tych początkowych lotów bezzałogowych pomogą inżynierom NASA budować lepsze, bardziej ochronne statki kosmiczne w przyszłości.

A kiedy w końcu zostanie zbudowana, załogi na pokładzie będzie utrzymywać rozbudowany zestaw czujników promieniowania, w tym , zaprojektowany do dokładnego i ciągłego pomiaru poziomów w obrębie stacji podczas tygodniowej, podłużnej orbity wokół Księżyca.

„Zrozumienie wpływu środowiska radiacyjnego ma kluczowe znaczenie nie tylko dla świadomości środowiska, w którym astronauci będą mieszkać w pobliżu Księżyca, ale także dostarczy ważnych danych, które można wykorzystać, gdy NASA przygotowuje się do jeszcze większych przedsięwzięć, takich jak wysłanie pierwsi ludzie na Marsa” – powiedziała Dina Contella, kierownik ds. integracji i wykorzystania misji Gateway .

NASA może w przyszłości użyć bąbelków magnetycznych

Przyszłe wyprawy w przestrzeń międzyplanetarną, gdzie GCR i SEP są bardziej rozpowszechnione, będą wymagały bardziej wszechstronnej ochrony, niż mogą zapewnić obecne najnowocześniejsze pasywne materiały osłonowe i prognozy pogody kosmicznej. A ponieważ magnetosfera Ziemi okazała się tak przydatna, naukowcy z Komisji Europejskiej (CORDIS) badali stworzenie jednego wystarczająco małego, aby zmieścić się na statku kosmicznym, nazwanego Nadprzewodzącą Tarczą Promieniowania Kosmicznego (SR2S).

Program SR2.7S o wartości 2 miliona euro, który był realizowany od 2013 do 2015 roku, rozszerzył koncepcję wykorzystania magnesów nadprzewodzących do generowania pola magnetycznego zatrzymującego promieniowanie, po raz pierwszy opracowanego przez byłego nazistowskiego inżyniera lotniczego Wernhera von Brauna w 1969 roku. być ponad 3,000 razy bardziej skoncentrowany niż ten, który okrąża Ziemię, i rozciągałby się na 10-metrowej sferze.

„W ramach projektu w najbliższych miesiącach przetestujemy cewkę toru wyścigowego nawiniętą taśmą nadprzewodzącą MgB2” – Bernardo Bordini, koordynator działalności CERN w ramach projektu SR2S, . „Prototypowa cewka została zaprojektowana w celu ilościowego określenia skuteczności nadprzewodzącej technologii ekranowania magnetycznego”.

Nie blokuje całego przychodzącego promieniowania, ale skutecznie odgradza najbardziej szkodliwe typy, takie jak GCR, który przepływa przez pasywne ekranowanie, jak woda przez durszlak. Dzięki zmniejszeniu szybkości, z jaką astronauci są narażeni na promieniowanie, będą mogli służyć w większej liczbie misji, które trwają dłużej, zanim osiągną limit czasu życia NASA.

„Gdy magnetosfera odchyla promienie kosmiczne skierowane w stronę Ziemi, pole magnetyczne generowane przez nadprzewodzący magnes otaczający statek kosmiczny chroniłoby załogę”, powiedział dr Riccardo Musenich, kierownik naukowy i techniczny projektu. w 2014 r. „SR2S to pierwszy projekt, który nie tylko bada zasady i problemy naukowe (ekranowania magnetycznego), ale także stawia czoła złożonym problemom w inżynierii”.

Zbudowano i przetestowano już dwie cewki nadprzewodzące, do budowy lekkich magnesów, ale to są bardzo wstępne badania, pamiętajcie. Zespół CORDIS nie przewiduje, aby ta technologia znalazła się w kosmosie przez kolejne kilkadziesiąt lat.

Naukowcy z Wydziału Astronomii Uniwersytetu Wisconsin-Madison zabrali się niedawno do opracowania własnej wersji pomysłu serwisu CORDIS. Ich (CREW HaT), który w lutym otrzymał finansowanie prototypów z programu NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC), wykorzystuje „nową technologię taśm nadprzewodzących, projekt do rozmieszczania i nową konfigurację pola magnetycznego, która nie była wcześniej badana”. według profesora nadzwyczajnego UWM i głównego autora badań, dr Elena D'Onghia powiedziała w maju.

„Geometria HaT nigdy wcześniej nie była badana w tym kontekście ani badana w połączeniu z nowoczesnymi taśmami nadprzewodnikowymi”, powiedziała w . „Odwraca ponad 50 procent szkodliwego dla biologii promieniowania kosmicznego (protony poniżej 1 GeV) i jonów wysokoenergetycznych o wysokiej energii Z. To wystarczy, aby zmniejszyć dawkę promieniowania pochłanianą przez astronautów do poziomu, który wynosi mniej niż 5 procent zwiększonego ryzyka śmiertelności z powodu raka ustalonego przez NASA w ciągu całego życia”.

Albo astronauci mogą nosić ołowiane kamizelki, aby chronić swoje intymne?

Ale po co podejmować wysiłek magnetycznej obudowy całego statku kosmicznego, skoro tak naprawdę jest to tylko garstka torsów i głów, które tak naprawdę potrzebują ochrony? To jest idea stojąca za (KLACZ).

Opracowane we współpracy zarówno z Izraelską Agencją Kosmiczną (ISA), jak i Niemieckim Centrum Lotnictwa Kosmicznego (DLR), dwie z kamizelek MARE zostaną przymocowane do identycznych manekinów i wystrzelone w kosmos na pokładzie bezzałogowej misji księżycowej Orion. Podczas trzytygodniowego lotu manekiny o imionach Helga i Zohar przelecą około 280,000 XNUMX mil od Ziemi i tysiące mil za Księżycem. Ich wnętrzności są zaprojektowane tak, aby naśladować ludzkie kości i tkankę miękką, umożliwiając naukowcom pomiar określonych dawek promieniowania, jakie otrzymują.

Jego rodzeństwo studiuje na pokładzie ISS, (CHARGE), skupia się mniej na skuteczności przeciwradiolokacyjnej kamizelki, a bardziej na ergonomii, dopasowaniu i wyczuciu, gdy astronauci wykonują swoje codzienne obowiązki. Europejska Agencja Kosmiczna bada również ochronę przed promieniowaniem w odzieży za pomocą , „urządzenie awaryjne, które ma chronić astronautów przed intensywnym promieniowaniem słonecznym podczas podróży poza magnetosferę podczas przyszłych misji Deep Space”.

Albo wypełnimy kadłuby statków wodą i kupą!

Jeden szczęśliwy środek między bliskim dyskomfortem noszenia fartucha z ołowiu w warunkach mikrograwitacji a egzystencjalnym zmartwieniem, że synaps może zostać zaszyfrowany przez potężny elektromagnes, jest znany jako .

„Natura nie używa sprężarek, parowników, kanistrów z wodorotlenkiem litu, świec tlenowych ani procesorów moczu” – argumentował Marc M. Cohen Arch.D w artykule z 2013 r. . „W przypadku bardzo długotrwałej eksploatacji — jak w międzyplanetarnym statku kosmicznym, stacji kosmicznej lub bazie księżycowej/planetarnej — te aktywne systemy elektromechaniczne są podatne na awarie, ponieważ ciągłe cykle pracy utrudniają konserwację”.

Więc zamiast polegać na ciężkich i skomplikowanych mechanizmach do przetwarzania materiałów odpadowych, które astronauci emitują podczas misji, system ten wykorzystuje worki osmozy, które naśladują naturalne, pasywne sposoby oczyszczania wody. Oprócz uzdatniania szarej i czarnej wody, worki te mogą być również przystosowane do usuwania CO2 z powietrza, hodowania glonów na żywność i paliwo, a także mogą być wyłożone na wewnętrznym kadłubie statku kosmicznego, aby zapewnić doskonałą pasywną osłonę przed cząsteczkami o wysokiej energii.

„Woda jest lepsza niż metale w ochronie przed promieniowaniem”, powiedział Marco Durante z Uniwersytetu Technicznego w Darmstadt w Niemczech. . Wynika to z faktu, że trzyatomowe jądro cząsteczki wody ma większą masę niż atom metalu i dlatego skuteczniej blokuje GCR i inne promienie o wysokiej energii, kontynuował.

Załoga na pokładzie proponowanej misji Inspiration Mars, która zarzuciłaby parę prywatnych astronautów wokół Marsa podczas spektakularnego przelotu, podczas gdy obie planety znajdowały się na najbliższej orbicie w 2018 roku. Nic o tym nie słyszałeś, ponieważ po cichu upadła w 2015 roku. Ale gdyby udało im się w jakiś sposób dokonać tego wyczynu, plan polegał na tym, aby astronauci robili kupę do worków, zbierali płyn do ponownego użycia, a następnie układali zaplombowane próżniowo klocki na ścianach statku kosmicznego – obok swoich pudeł. żywności — działać jako izolacja przed promieniowaniem.

„Brzmi to trochę dziwnie, ale nie ma miejsca na ten materiał i świetnie chroni przed promieniowaniem”, powiedział Taber MacCallum, członek organizacji non-profit finansowanej przez Dennisa Tito. New Scientist. „Żywność będzie przechowywana wokół ścian statku kosmicznego, ponieważ żywność jest dobrą osłoną przed promieniowaniem”. To tylko szybki wypad na następną planetę, kto potrzebuje kanalizacji i wyżywienia?