Как НАСА может защитить завтрашних астронавтов от радиации дальнего космоса

Tвот, будь то из или, или же . А также это смерть от радиации.

Те самые энергетические выбросы нашей местной звезды, которые дают вам загар, могут если это не так . В то время как сегодняшние экипажи и грузовые капсулы на низкой околоземной орбите, возможно, не будут оснащены собственными миниатюрными магнитосферами, завтра они могут — или, может быть, мы просто защитим первых исследователей дальнего космоса человечества от межзвездного излучения с помощью .

Виды радиации и что с ними делать

Как инсульты и люди, существуют разные виды и источники радиации, как наземные, так и космические. Неионизирующее излучение, означающее, что у атома недостаточно энергии, чтобы полностью удалить электрон с его орбиты, можно найти в микроволнах, лампочках и солнечных энергетических частицах (SEP), таких как . Хотя эти формы излучения могут повредить материалы и биологические системы, их воздействие, как правило, может быть блокировано (отсюда солнцезащитный крем и микроволны, которые не облучают всю кухню) или экранировано озоновым слоем или .

Радиационные пояса Земли заполнены энергетическими частицами, захваченными магнитным полем Земли, которые могут нанести ущерб электронике, которую мы отправляем в космос. Авторы и права: Студия научной визуализации НАСА/Том Бриджмен.

Ионизирующее излучение, с другой стороны, способно сбросить электрон, и мало что может замедлить их положительно заряженный импульс. Альфа- и бета-частицы, гамма-лучи, рентгеновские лучи и галактические космические лучи, «тяжелые, высокоэнергетические ионы элементов, у которых оторвались все электроны, когда они путешествовали по галактике почти со скоростью света». . «GCR являются доминирующим источником излучения, с которым необходимо бороться на борту современных космических кораблей и будущих космических миссий в нашей Солнечной системе». Интенсивность GCR обратно пропорциональна относительной силе магнитного поля Солнца, а это означает, что они наиболее сильны, когда поле Солнца является самым слабым и наименее способным их отклонить.

Несмотря на разную природу, как GCR, так и SEP вместе с самими нашими биологическими телами. Их продолжающаяся бомбардировка имеет кумулятивный негативный эффект на физиологию человека, приводя не только к раку, но и к катаракте, неврологическим повреждениям, мутациям зародышевой линии и острой лучевой болезни, если доза достаточно высока. Что касается материалов, то высокоэнергетические частицы и фотоны могут вызвать «временное повреждение или необратимый отказ материалов или устройств космического корабля», отмечает Зикай Шен из Пекинского института экологии космических кораблей в 2019 году. .

«Заряженные частицы постепенно теряют энергию по мере прохождения через материал и, наконец, захватывают достаточное количество электронов, чтобы остановиться», — добавили они. «Когда толщина защитного материала больше, чем диапазон заряженных частиц в материале, падающие частицы будут блокированы в материале».

Как НАСА в настоящее время защищает своих астронавтов

Чтобы гарантировать, что завтрашние астронавты прибудут на Марс со всеми целыми зубами и ногтями, НАСА потратило почти четыре десятилетия на сбор данных и изучение воздействия радиации на организм человека. агентства (SRAG) в Космическом центре Джонсона, согласно его веб-сайту, «отвечает за обеспечение того, чтобы радиационное облучение, получаемое астронавтами, оставалось ниже ".

, «типичная средняя доза для человека составляет около 360 мбэр в год, или 3.6 мЗв, что является небольшой дозой. Однако международные стандарты допускают облучение до 5,000 мбэр (50 мЗв) в год для тех, кто работает с радиоактивными материалами и вблизи них. Для космических полетов предел выше. Предел НАСА для радиационного облучения на низкой околоземной орбите составляет 50 мЗв/год или 50 бэр/год».

Офицерам космической среды (SEO) SRAG поручено обеспечить, чтобы астронавты могли успешно выполнить свою миссию, не поглощая слишком много RAD. Они учитывают различные экологические и ситуационные факторы, присутствующие во время космического полета — находятся ли астронавты на НОО или на поверхности Луны, остаются ли они в космическом корабле или выходят в открытый космос, или — комбинируют и моделируют эту информацию с данными, собранными с так же как и сигнал , принимать свои решения.

Ассоциация в Центре космических полетов Годдарда служит во многом той же цели, что и SRAG, но для механических систем, работающих над созданием более эффективной защиты и более прочных материалов для использования на орбите.

«Мы сможем гарантировать, что люди, электроника, космические корабли и инструменты — все, что мы на самом деле отправляем в космос, — выживут в среде, в которую мы это помещаем», — заявила Меган Кейси, аэрокосмический инженер из REAG. . «В зависимости от того, куда они направляются, мы сообщаем разработчикам миссий, какой будет их космическая среда, а они возвращаются к нам со своими планами приборов и спрашивают: «Выживут ли эти части там?» Ответ всегда да, нет или я не знаю. Если мы не знаем, тогда мы проводим дополнительное тестирование. Это большая часть нашей работы».

Исследования НАСА будут продолжаться и расширяться на протяжении всей предстоящей эры миссии Artemis. , и ракета SLS, и космический корабль «Орион» будут оснащены датчиками, измеряющими уровни радиации в глубоком космосе за пределами Луны — в частности, с учетом различий в относительных уровнях за пределами земных поясов Ван Аллена. Собранные данные и уроки, извлеченные из этих первоначальных полетов без экипажа, помогут инженерам НАСА в будущем создавать более совершенные и защищенные космические корабли.

И как только он в конце концов будет построен, экипажи на борту будет поддерживать обширный набор датчиков радиации, включая , предназначенный для тщательного и постоянного измерения уровней внутри станции, пока она совершает недельную продолговатую орбиту вокруг Луны.

«Понимание воздействия радиационной среды имеет решающее значение не только для понимания среды, в которой астронавты будут жить вблизи Луны, но также предоставит важные данные, которые можно использовать, когда НАСА готовится к еще более масштабным мероприятиям, таким как отправка первыми людьми на Марсе», — сказала Дина Контелла, менеджер по интеграции и использованию Gateway Mission, в .

НАСА может использовать магнитные пузыри в будущем

Завтрашние походы в межпланетное пространство, где более распространены GCR и SEP, потребуют более комплексной защиты, чем могут обеспечить современные материалы пассивной защиты и прогнозы космической погоды. А поскольку собственная магнитосфера Земли оказалась такой удобной, исследователи из Европейской комиссии (CORDIS) исследовали создание одного, достаточно маленького, чтобы поместиться на космическом корабле, получившего название Space Radiation Superconducting Shield (SR2S).

Программа SR2.7S стоимостью 2 миллиона евро, которая проводилась с 2013 по 2015 год, расширила идею использования сверхпроводящих магнитов для создания останавливающего излучение магнитного силового поля, впервые разработанного бывшим нацистским аэрокосмическим инженером Вернером фон Брауном в 1969 году. быть более чем в 3,000 раз более концентрированным, чем тот, что окружает Землю, и простираться в виде 10-метровой сферы.

«В рамках проекта в ближайшие месяцы мы испытаем катушку беговой дорожки, намотанную сверхпроводящей лентой MgB2», — Бернардо Бордини, координатор деятельности CERN в рамках проекта SR2S, . «Прототип катушки предназначен для количественной оценки эффективности технологии сверхпроводящего магнитного экранирования».

Он не блокировал бы все поступающее излучение, но эффективно отсеивал бы наиболее опасные типы, такие как GCR, которые проходят через пассивную защиту, как вода через дуршлаг. Снижая скорость, с которой астронавты подвергаются воздействию радиации, они смогут участвовать в большем количестве и более длительных миссиях, прежде чем достигнут предела продолжительности облучения, установленного НАСА.

«Поскольку магнитосфера отклоняет космические лучи, направленные к Земле, магнитное поле, создаваемое сверхпроводящим магнитом, окружающим космический корабль, защитит экипаж», — сказал доктор Риккардо Мусенич, научный и технический руководитель проекта. в 2014 г. «SR2S — это первый проект, который не только исследует принципы и научные проблемы (магнитного экранирования), но также сталкивается со сложными инженерными проблемами».

Уже построены и испытаны две сверхпроводящие катушки. для создания легких магнитов, но это очень предварительное исследование, заметьте. Команда CORDIS не ожидает, что эта технология попадет в космос еще пару десятилетий.

Исследователи из факультета астрономии Университета Висконсин-Мэдисон недавно приступили к разработке собственной версии идеи CORDIS. Их (CREW HaT), который в феврале получил финансирование для прототипирования от программы NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC), использует «новую технологию сверхпроводящих лент, развертываемую конструкцию и новую конфигурацию магнитного поля, которая ранее не исследовалась». По словам доцента UWM и ведущего автора исследования, д-ра Елены Д'Онгиа. в мае.

«Геометрия HaT никогда ранее не исследовалась в этом контексте и не изучалась в сочетании с современными сверхпроводящими лентами», — сказала она в . «Он отклоняет более 50 процентов вредных для биологии космических лучей (протонов с энергией ниже 1 ГэВ) и ионов с более высокой энергией с высоким Z. Этого достаточно, чтобы снизить дозу радиации, поглощаемую астронавтами, до уровня, составляющего менее 5 процентов от избыточного риска смертности от рака на протяжении всей жизни, установленного НАСА».

Или астронавты могут носить свинцовые жилеты, чтобы защитить свои интимные места.

Но зачем прилагать усилия по магнитной герметизации всего космического корабля, когда на самом деле в защите нуждается лишь горстка торсов и голов? Это идея, лежащая в основе (МАРЕ).

Два жилета MARE, разработанные в сотрудничестве с Израильским космическим агентством (ISA) и Немецким аэрокосмическим центром (DLR), будут прикреплены к идентичным манекенам и запущены в космос на борту беспилотной лунной миссии Orion. Во время своего трехнедельного полета манекены по имени Хельга и Зохар пролетят около 280,000 XNUMX миль от Земли и тысячи миль от Луны. Их внутренности спроектированы таким образом, чтобы имитировать человеческие кости и мягкие ткани, что позволяет исследователям измерять конкретные дозы облучения, которые они получают.

Его родственное исследование на борту МКС, (CHARGE), фокусируется не столько на антирадиационной эффективности жилета, сколько на эргономике, подгонке и ощущении, когда космонавты выполняют свои повседневные обязанности. Европейское космическое агентство также исследует защиту от радиации на основе одежды с помощью , «аварийное устройство, предназначенное для защиты астронавтов от интенсивного солнечного излучения при путешествии за пределы магнитосферы во время будущих миссий в дальний космос».

Или мы зальем корпуса кораблей водой и какашками!

Единственная золотая середина между дискомфортом от ношения освинцованного фартука в условиях микрогравитации и экзистенциальным беспокойством о том, что ваши синапсы могут быть повреждены мощным электромагнитом, известна как .

«В природе не используются компрессоры, испарители, канистры с гидроксидом лития, кислородные свечи или устройства для обработки мочи», — утверждал Марк М. Коэн, доктор философии, в статье 2013 года. . «При очень длительной эксплуатации — например, в межпланетном космическом корабле, космической станции или лунной/планетной базе — эти активные электромеханические системы склонны к отказу, поскольку непрерывные рабочие циклы затрудняют техническое обслуживание».

Таким образом, вместо того, чтобы полагаться на тяжелую и сложную механизацию для обработки отходов, которые астронавты выбрасывают во время миссии, в этой системе используются осмотические мешки, которые имитируют собственные пассивные способы очистки воды в природе. В дополнение к очистке серой и черной воды, эти мешки также могут быть адаптированы для очистки воздуха от CO2, выращивания водорослей для производства продуктов питания и топлива, а также могут быть установлены на внутреннем корпусе космического корабля для обеспечения превосходной пассивной защиты от высокоэнергетических частиц.

«Вода лучше, чем металлы, для [радиационной] защиты», — сказал Марко Дуранте из Технического университета Дармштадта в Германии. . Это связано с тем, что трехатомное ядро ​​молекулы воды содержит больше массы, чем атом металла, и поэтому более эффективно блокирует GCR и другие высокоэнергетические лучи, продолжил он.

Экипаж на борту предлагаемой миссии «Вдохновение» на Марс, которая должна была запустить пару частных астронавтов вокруг Марса в захватывающем пролете, когда две планеты находились на своих ближайших орбитах в 2018 году. Вы ничего об этом не слышали, потому что тихо ушел под воду в 2015 году. Но если бы они каким-то образом провернули этот подвиг, план состоял в том, чтобы астронавты какали в мешки, высасывали жидкость для повторного использования, а затем складывали запечатанные дерьмовые кирпичи у стен космического корабля — рядом с их коробками. продуктов питания — действовать как радиационная изоляция.

«Это звучит немного тошнотворно, но этому материалу некуда деваться, и он отлично защищает от радиации», — сказал Табер МакКаллум, член некоммерческой организации, финансируемой Деннисом Тито. New Scientist. «Еда будет храниться вокруг стен космического корабля, потому что пища является хорошей защитой от радиации». Это всего лишь короткая прогулка на другую планету, кому нужна сантехника и пропитание?