Hur NASA kan skydda morgondagens astronauter från strålning från rymden

Thär är , oavsett om det är från eller , eller . Och är död genom strålning.

Samma energiska utsläpp från vår lokala stjärna som ger dig en solbränna burk om det inte gör det . Medan dagens besättning och lastkapslar i låg omloppsbana kanske inte är utrustade med egna miniatyrmagnetosfärer, kan morgondagens styrka – eller så kanske vi bara skyddar mänsklighetens första djupa rymdfarare från interstellär strålning genom att .

Typer av strålning och vad man ska göra åt dem

Liksom stroke och folk, det finns olika typer och källor av strålning både terrestra och i rymden. Icke-joniserande strålning, vilket betyder att atomen inte har tillräckligt med energi för att helt ta bort en elektron från sin bana, kan hittas i mikrovågor, glödlampor och solenergipartiklar (SEP) som . Även om dessa former av strålning kan skada material och biologiska system, kan deras effekter vanligtvis blockeras (därav solskyddsmedel och mikrovågor som inte bestrålar hela kök) eller avskärmas av ozonskiktet eller .

Jordens strålningsbälten är fyllda med energirika partiklar som fångas av jordens magnetfält som kan orsaka förödelse med elektronik vi skickar till rymden. Medverkande: NASA:s Scientific Visualization Studio/Tom Bridgman

Joniserande strålning, å andra sidan, är energisk för att avge en elektron och det finns inte mycket som kan bromsa deras positivt laddade momentum. Alfa- och beta-partiklar, gammastrålar, röntgenstrålar och galaktiska kosmiska strålar, "tunga högenergijoner av element som har fått alla sina elektroner bortskalade när de färdades genom galaxen med nästan ljusets hastighet." . "GCR är en dominerande strålningskälla som måste hanteras ombord på nuvarande rymdfarkoster och framtida rymduppdrag inom vårt solsystem." GCR-intensiteten är omvänt proportionell mot den relativa styrkan hos solens magnetfält, vilket betyder att de är starkast när solens fält är som svagast och minst kan avleda dem.

Trots deras olika natur, både GCR och SEP tillsammans med våra biologiska kroppar själva. Deras fortsatta bombardemang har en kumulativ negativ effekt på människans fysiologi, vilket inte bara resulterar i cancer utan även grå starr, neurologiska skador, mutationer i könsceller och akut strålsjuka om dosen är tillräckligt hög. För material kan högenergipartiklar och fotoner orsaka "tillfällig skada eller permanent fel på rymdfarkostmaterial eller anordningar", konstaterar Zicai Shen från Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering i 2019:s .

"Laddade partiklar förlorar gradvis energi när de passerar genom materialet och slutligen fångar ett tillräckligt antal elektroner för att sluta," tillade de. "När tjockleken på det avskärmande materialet är större än intervallet för en laddad partikel i materialet, kommer de infallande partiklarna att blockeras i materialet."

Hur NASA för närvarande skyddar sina astronauter

För att säkerställa att morgondagens astronauter anländer till Mars med alla sina tänder och fingernaglar intakta, har NASA ägnat nästan fyra decennier åt att samla in data och studera effekterna av strålning på människokroppen. Byråns (SRAG) vid Johnson Space Center är, enligt sin webbplats, "ansvarig för att säkerställa att strålningsexponeringen som tas emot av astronauter förblir under . "

, "den typiska genomsnittliga dosen för en person är cirka 360 mrems per år, eller 3.6 mSv, vilket är en liten dos. Internationella standarder tillåter dock exponering för så mycket som 5,000 50 mrems (50 mSv) per år för dem som arbetar med och runt radioaktivt material. För rymdfärd är gränsen högre. NASA:s gräns för strålningsexponering i låg omloppsbana är 50 mSv/år eller XNUMX rem/år."

SRAG:s Space Environment Officers (SEOs) har till uppgift att se till att astronauterna framgångsrikt kan slutföra sitt uppdrag utan att absorbera för många RAD. De tar hänsyn till de olika miljö- och situationsfaktorer som finns under en rymdfärd – oavsett om astronauterna befinner sig i LEO eller på månens yta, om de stannar i rymdskeppet eller tar en rymdpromenad, eller – kombinera och modellera den informationen med data som samlats in från såväl som att fatta sina beslut.

Smakämnen vid Goddard Space Flight Center, tjänar ungefär samma syfte som SRAG men för mekaniska system, som arbetar för att utveckla effektivare skärmning och mer robusta material för användning i omloppsbana.

"Vi kommer att kunna säkerställa att människor, elektronik, rymdfarkoster och instrument - allt vi faktiskt skickar ut i rymden - kommer att överleva i den miljö vi placerar det i", sa Megan Casey, en rymdingenjör vid REAG i en . "Baserat på vart de är på väg berättar vi för missionsdesigners hur deras rymdmiljö kommer att se ut, och de kommer tillbaka till oss med sina instrumentplaner och frågar: "Kommer de här delarna att överleva där?" Svaret är alltid ja, nej, eller så vet jag inte. Om vi ​​inte vet, det är då vi gör ytterligare tester. Det är den stora majoriteten av vårt jobb.”

NASA:s forskning kommer att fortsätta och expandera under den kommande Artemis-uppdraget. , både SLS-raketen och Orion-rymdfarkosten kommer att vara utrustade med sensorer som mäter strålningsnivåer i det djupa rymden bortom månen - specifikt titta på skillnaderna i relativa nivåer bortom jordens Van Allen-bälten. Data som samlas in och lärdomar från dessa första obemannade flygningar kommer att hjälpa NASA-ingenjörer att bygga bättre och mer skyddande rymdfarkoster i framtiden.

Och när det så småningom blir byggt, kommer besättningar ombord kommer att upprätthålla en expansiv strålningssensorsvit, inklusive , utformad för att noggrant och kontinuerligt mäta nivåer inom stationen när den gör sin veckolånga avlånga bana runt månen.

"Att förstå effekterna av strålningsmiljön är inte bara avgörande för medvetenheten om miljön där astronauter kommer att bo i närheten av månen, utan det kommer också att tillhandahålla viktig data som kan användas när NASA förbereder sig för ännu större ansträngningar, som att skicka första människorna till Mars, säger Dina Contella, chef för Gateway Mission Integration and Utilization, i .

NASA kan använda magnetiska bubblor i framtiden

Morgondagens vandringar in i det interplanetära rymden, där GCR och SEP är mer utbredda, kommer att kräva mer omfattande skydd än vad de nuvarande passiva avskärmningsmaterialen och förutsägelser om rymdväder kan leverera. Och eftersom jordens egen magnetosfär har visat sig vara så praktisk har forskare med Europeiska kommissionens (CORDIS) har forskat på att skapa en tillräckligt liten för att passa på ett rymdskepp, kallad Space Radiation Superconducting Shield (SR2S).

SR2.7S-programmet på 2 miljoner euro, som pågick från 2013 till 2015, utökade idén om att använda supraledande magneter för att generera ett strålningsavstängande magnetiskt kraftfält som först utarbetades av den före detta nazistiska flygingenjören Wernher von Braun 1969. Det magnetiska fältet som producerades skulle vara mer än 3,000 10 gånger mer koncentrerad än den som omger jorden och skulle sträcka sig ut i en XNUMX-meters sfär.

"Inom ramen för projektet kommer vi att testa, under de kommande månaderna, en racerbanas spole lindad med en MgB2 supraledande tejp," Bernardo Bordini, koordinator för CERN-aktiviteten inom ramen för SR2S-projektet, . "Prototypspolen är designad för att kvantifiera effektiviteten av den supraledande magnetiska skärmningstekniken."

Det skulle inte blockera all inkommande strålning, men skulle effektivt sålla bort de mest skadliga typerna, som GCR, som strömmar genom passiv avskärmning som vatten genom ett durkslag. Genom att sänka hastigheten med vilken astronauter utsätts för strålning, kommer de att kunna tjänstgöra på fler och längre uppdrag innan de når NASA:s livstidsexponeringsgräns.

"När magnetosfären avleder kosmiska strålar riktade mot jorden, skulle det magnetiska fältet som genereras av en supraledande magnet som omger rymdfarkosten skydda besättningen," sa Dr Riccardo Musenich, vetenskaplig och teknisk chef för projektet. 2014. "SR2S är det första projektet som inte bara undersöker principerna och de vetenskapliga problemen (med magnetisk skärmning), utan det möter också de komplexa frågorna inom teknik."

Två supraledande spolar har redan konstruerats och testats, att bygga lättviktsmagneter men detta är mycket preliminär forskning, märk väl. CORDIS-teamet förväntar sig inte att den här tekniken kommer ut i rymden på ytterligare ett par decennier.

Forskare från University of Wisconsin–Madisons institution för astronomi har nyligen börjat utveckla sin egen version av CORDIS idé. Deras (CREW HaT), som fick prototypfinansiering från NASA:s Innovative Advanced Concepts (NIAC)-program i februari, använder "ny supraledande tejpteknologi, en utplacerbar design och en ny konfiguration för ett magnetfält som inte har utforskats tidigare." enligt UWM docent och forskare huvudförfattare, berättade Dr Elena D'Onghia i maj.

"HaT-geometrin har aldrig utforskats tidigare i det här sammanhanget eller studerats i kombination med moderna supraledande band," sa hon i . "Det avleder över 50 procent av de biologiskt skadliga kosmiska strålarna (protoner under 1 GeV) och högre energi hög-Z-joner. Detta är tillräckligt för att minska stråldosen som absorberas av astronauter till en nivå som är mindre än 5 procent av livstids överrisk för cancerdödlighet som fastställts av NASA."

Eller så kan astronauter bära blyvästar för att skydda sina meniga

Men varför gå igenom ansträngningen att magnetiskt kapsla in ett helt rymdskepp när det egentligen bara är en handfull överkroppar och huvuden som faktiskt behöver skyddet? Det är tanken bakom (STO).

Två av MARE-västarna, som utvecklats i samarbete med både Israel Space Agency (ISA) och German Aerospace Center (DLR), kommer att fästas ombord på identiska skyltdockor och skjutas ut i rymden ombord på Orions månuppdrag utan besättning. På sin tre veckor långa flygning kommer skyltdockorna, som heter Helga och Zohar, att resa cirka 280,000 XNUMX miles från jorden och tusentals miles förbi månen. Deras inälvor är utformade för att efterlikna mänskliga ben och mjukvävnad, vilket gör det möjligt för forskare att mäta de specifika stråldoserna de får.

Dess syskonstudie ombord på ISS, den (CHARGE), fokuserar mindre på västens anti-rad effektivitet och mer på ergonomin, passformen och känslan av den när astronauter utför sina dagliga uppgifter. Den europeiska rymdorganisationen undersöker också plaggbaserad strålningsskärmning med , en "nödenhet som syftar till att skydda astronauter från intensiv solstrålning när de reser ut ur magnetosfären på framtida Deep Space-uppdrag."

Eller så fodrar vi skeppsskroven med vatten och bajs!

Ett lyckligt medium mellan det näraliggande obehaget av att bära ett blyförkläde i mikrogravitation och den existentiella oron över att eventuellt få dina synapser förvrängda av en kraftfull elektromagnet är känt som .

"Naturen använder inga kompressorer, förångare, litiumhydroxidbehållare, syrgasljus eller urinprocessorer", hävdade Marc M. Cohen Arch.D i 2013 års tidning . "För mycket långvarig drift - som i en interplanetär rymdfarkost, rymdstation eller mån-/planetbas - tenderar dessa aktiva elektromekaniska system att vara felbenägna eftersom de kontinuerliga arbetscyklerna gör underhållet svårt."

Så istället för att förlita sig på tunga och komplicerade mekaniseringar för att bearbeta avfallsmaterial som astronauter släpper ut under ett uppdrag, använder detta system osmospåsar som efterliknar naturens egna passiva sätt att rena vatten. Förutom att behandla grått och svart vatten kan dessa påsar också anpassas för att skrubba CO2 från luften, odla alger för mat och bränsle, och kan fodras mot det inre skrovet på ett rymdskepp för att ge överlägsen passiv avskärmning mot högenergipartiklar.

"Vatten är bättre än metaller för strålskydd", sa Marco Durante vid Darmstadts tekniska universitet i Tyskland. . Detta beror på att treatomskärnan i en vattenmolekyl innehåller mer massa än en metallatom och därför är mer effektiv för att blockera GCR och andra högenergistrålar, fortsatte han.

Besättningen ombord på det föreslagna Inspiration Mars-uppdraget, som skulle ha slungat ett par privata astronauter runt Mars i en spektakulär förbiflygning medan de två planeterna var närmast sin omloppsbana 2018. Du har inte hört något om det eftersom gick tyst under 2015. Men om de på något sätt hade lyckats med den bedriften, var planen att få astronauterna att bajsa i påsar, sophona ut vätskan för återanvändning och sedan stapla de vakuumförseglade skitstenarna mot rymdfarkostens väggar - bredvid sina lådor av mat — att fungera som strålningsisolering.

"Det låter lite illamående, men det finns ingen plats för det materialet att ta vägen till, och det ger bra strålskydd", berättade Taber MacCallum, en medlem av den ideella organisationen finansierad av Dennis Tito. New Scientist. "Mat kommer att lagras runt rymdfarkostens väggar, eftersom mat är bra strålningsskyddande." Det är bara en snabb utflykt till nästa planet över, vem behöver VVS och näring?