NASA อาจปกป้องนักบินอวกาศในวันพรุ่งนี้จากการแผ่รังสีห้วงอวกาศได้อย่างไร

Tนี่คือ ไม่ว่าจะเป็นจาก หรือ หรือ . และ คือความตายโดยรังสี

การปล่อยพลังงานแบบเดียวกันจากดาราท้องถิ่นของเราที่ให้กระป๋องสีแทนแก่คุณ ถ้าไม่ . แม้ว่าลูกเรือโคจรรอบโลกที่ต่ำและแคปซูลบรรทุกสินค้าในปัจจุบันอาจไม่ได้ติดตั้งสนามแม่เหล็กขนาดจิ๋วของตัวเอง แต่อาจเป็นไปได้ในวันพรุ่งนี้ — หรือบางทีเราอาจแค่ปกป้องนักสำรวจอวกาศห้วงอวกาศกลุ่มแรกของมนุษยชาติจากการแผ่รังสีระหว่างดาวโดย .

ประเภทของรังสีและจะทำอย่างไรกับมัน

เช่นเดียวกับจังหวะและคน มีประเภทและแหล่งที่มาของรังสีต่างกันทั้งบนบกและในอวกาศ รังสีที่ไม่ทำให้เกิดไอออน ซึ่งหมายความว่าอะตอมมีพลังงานไม่เพียงพอที่จะกำจัดอิเล็กตรอนออกจากวงโคจรได้อย่างเต็มที่ ซึ่งสามารถพบได้ในไมโครเวฟ หลอดไฟ และอนุภาคพลังงานแสงอาทิตย์ (SEP) เช่น แม้ว่ารูปแบบการแผ่รังสีเหล่านี้สามารถทำลายวัสดุและระบบทางชีววิทยาได้ แต่โดยทั่วไปผลกระทบของรังสีเหล่านี้สามารถปิดกั้นได้ (ด้วยเหตุนี้ ครีมกันแดดและไมโครเวฟที่ไม่ฉายรังสีทั่วทั้งห้องครัว) หรือคัดกรองโดยชั้นโอโซนหรือ

แถบการแผ่รังสีของโลกเต็มไปด้วยอนุภาคที่มีพลังซึ่งติดอยู่กับสนามแม่เหล็กของโลกซึ่งสามารถสร้างความหายนะให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เราส่งไปยังอวกาศ เครดิต: NASA's Scientific Visualization Studio/Tom Bridgman

ในทางกลับกัน การแผ่รังสีไอออไนซ์นั้นมีพลังในการขับอิเล็กตรอน และไม่มีอะไรมากที่จะสามารถชะลอโมเมนตัมที่มีประจุบวกของพวกมันได้ อนุภาคแอลฟาและบีตา รังสีแกมมา รังสีเอกซ์ และรังสีคอสมิกทางช้างเผือก “อิออนที่มีพลังงานสูงและมีพลังงานสูงซึ่งมีอิเลคตรอนทั้งหมดหลุดออกมาขณะเดินทางผ่านดาราจักรด้วยความเร็วเกือบเท่าแสง” . "GCR เป็นแหล่งรังสีหลักที่ต้องจัดการกับยานอวกาศปัจจุบันและภารกิจอวกาศในอนาคตภายในระบบสุริยะของเรา" ความเข้มของ GCR เป็นสัดส่วนผกผันกับความแรงสัมพัทธ์ของสนามแม่เหล็กของดวงอาทิตย์ ซึ่งหมายความว่าจะเข้มที่สุดเมื่อสนามของดวงอาทิตย์อยู่ที่จุดอ่อนที่สุดและสามารถเบี่ยงเบนความสนใจได้น้อยที่สุด

แม้จะมีลักษณะที่แตกต่างกันทั้ง GCR และ SEP พร้อมกับร่างกายทางชีววิทยาของเราด้วย การทิ้งระเบิดอย่างต่อเนื่องของพวกมันมีผลกระทบด้านลบสะสมต่อสรีรวิทยาของมนุษย์ ไม่เพียงแต่เป็นมะเร็งเท่านั้น แต่ยังเป็นมะเร็งแต่เป็นต้อกระจก ความเสียหายทางระบบประสาท การกลายพันธุ์ของเจิร์มไลน์ และการเจ็บป่วยจากรังสีเฉียบพลันหากขนาดยาสูงเพียงพอ สำหรับวัสดุ อนุภาคพลังงานสูงและโฟตอนสามารถทำให้เกิด “ความเสียหายชั่วคราวหรือความล้มเหลวอย่างถาวรของวัสดุหรืออุปกรณ์ยานอวกาศ” Zicai Shen จากสถาบันวิศวกรรมสิ่งแวดล้อมยานอวกาศแห่งปักกิ่งกล่าวในปี 2019 .

“อนุภาคที่มีประจุจะค่อยๆ สูญเสียพลังงานเมื่อผ่านวัสดุ และในที่สุดก็จับอิเล็กตรอนได้เพียงพอเพื่อหยุด” พวกเขากล่าวเสริม “เมื่อความหนาของวัสดุป้องกันมากกว่าช่วงของอนุภาคที่มีประจุในวัสดุ อนุภาคที่ตกกระทบจะถูกบล็อกในวัสดุ”

NASA ปกป้องนักบินอวกาศอย่างไรในปัจจุบัน

เพื่อให้แน่ใจว่านักบินอวกาศในวันพรุ่งนี้จะมาถึงดาวอังคารโดยที่ฟันและเล็บไม่เสียหาย NASA ได้ใช้เวลาเกือบสี่ทศวรรษในการรวบรวมข้อมูลและศึกษาผลกระทบของรังสีที่มีต่อร่างกายมนุษย์ ของหน่วยงาน (SRAG) ที่ Johnson Space Center ตามเว็บไซต์ "มีหน้าที่รับผิดชอบในการตรวจสอบให้แน่ใจว่าการได้รับรังสีที่ได้รับจากนักบินอวกาศยังคงอยู่ด้านล่าง ".

, “ปริมาณเฉลี่ยโดยทั่วไปสำหรับบุคคลหนึ่งๆ อยู่ที่ประมาณ 360 mrems ต่อปี หรือ 3.6 mSv ซึ่งเป็นขนาดที่เล็ก อย่างไรก็ตาม มาตรฐานสากลอนุญาตให้ผู้ที่ทำงานกับวัสดุกัมมันตภาพรังสีได้มากถึง 5,000 mrems (50 mSv) ต่อปี สำหรับการบินในอวกาศ ขีดจำกัดจะสูงกว่า ขีดจำกัดของ NASA สำหรับการได้รับรังสีในวงโคจรโลกต่ำคือ 50 mSv/ปี หรือ 50 rem/ปี”

เจ้าหน้าที่สิ่งแวดล้อมอวกาศ (SEO) ของ SRAG ได้รับมอบหมายให้ดูแลให้นักบินอวกาศสามารถทำภารกิจได้สำเร็จโดยไม่ใช้ RAD มากเกินไป พวกเขาคำนึงถึงปัจจัยแวดล้อมและสถานการณ์ต่างๆ ที่เกิดขึ้นระหว่างการบินอวกาศ — ไม่ว่านักบินอวกาศจะอยู่ใน LEO หรือบนพื้นผิวดวงจันทร์ ไม่ว่าพวกเขาจะอยู่ในยานอวกาศหรือเดินอวกาศ หรือ — รวมและสร้างแบบจำลองข้อมูลนั้นด้วยข้อมูลที่รวบรวมจาก และ เพื่อทำการตัดสินใจ

พื้นที่ ที่ Goddard Space Flight Center มีจุดประสงค์เดียวกับ SRAG แต่สำหรับระบบกลไก กำลังทำงานเพื่อพัฒนาเกราะป้องกันที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นและวัสดุที่ทนทานมากขึ้นสำหรับใช้ในวงโคจร

Megan Casey วิศวกรการบินและอวกาศใน REAG กล่าวว่า "เราจะสามารถรับประกันได้ว่ามนุษย์ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ยานอวกาศ และเครื่องมือต่างๆ ที่เราส่งไปในอวกาศจริงๆ จะอยู่รอดในสภาพแวดล้อมที่เราวางไว้" . “จากที่ที่พวกเขากำลังจะไป เราบอกผู้ออกแบบภารกิจว่าสภาพแวดล้อมในอวกาศของพวกเขาจะเป็นอย่างไร และพวกเขากลับมาหาเราพร้อมแผนเครื่องมือและถามว่า 'ชิ้นส่วนเหล่านี้จะอยู่รอดที่นั่นหรือไม่' คำตอบคือ ใช่ ไม่ใช่ หรือฉันไม่รู้ ถ้าเราไม่รู้ นั่นคือตอนที่เราทำการทดสอบเพิ่มเติม นั่นคืองานส่วนใหญ่ของเรา”

การวิจัยของ NASA จะดำเนินต่อไปและขยายออกไปตลอดยุคภารกิจของ Artemis ที่จะมาถึง ทั้งจรวด SLS และยานอวกาศ Orion จะได้รับการติดตั้งเซ็นเซอร์วัดระดับการแผ่รังสีในห้วงอวกาศลึกเหนือดวงจันทร์ โดยเจาะจงดูที่ความแตกต่างในระดับสัมพัทธ์ที่อยู่นอกเหนือแถบแวนอัลเลนของโลก ข้อมูลที่รวบรวมและบทเรียนที่เรียนรู้จากเที่ยวบินที่ไม่มีผู้โดยสารในครั้งแรกเหล่านี้จะช่วยให้วิศวกรของ NASA สร้างยานอวกาศที่ดีขึ้นและมีการป้องกันมากขึ้นในอนาคต

และเมื่อมันถูกสร้างขึ้นในที่สุด ลูกเรือบนเรือ จะรักษาชุดเซ็นเซอร์รังสีที่กว้างขวางรวมถึง ออกแบบมาเพื่อวัดระดับภายในสถานีอย่างระมัดระวังและต่อเนื่อง เนื่องจากโคจรรอบดวงจันทร์เป็นวงรียาวหนึ่งสัปดาห์

“การเข้าใจผลกระทบของสภาพแวดล้อมการแผ่รังสีไม่เพียงมีความสำคัญต่อการตระหนักถึงสภาพแวดล้อมที่นักบินอวกาศจะอาศัยอยู่ใกล้กับดวงจันทร์ แต่ยังให้ข้อมูลสำคัญที่สามารถนำมาใช้ในขณะที่ NASA เตรียมพร้อมสำหรับความพยายามที่ยิ่งใหญ่กว่าเช่นการส่ง มนุษย์คนแรกสู่ดาวอังคาร” Dina Contella ผู้จัดการฝ่ายบูรณาการและการใช้ประโยชน์ภารกิจของเกตเวย์กล่าวใน .

NASA อาจใช้ฟองแม่เหล็กในอนาคต

การเดินป่าในวันพรุ่งนี้สู่อวกาศระหว่างดาวเคราะห์ ซึ่ง GCR และ SEP เป็นที่แพร่หลายมากขึ้น จะต้องมีการป้องกันที่ครอบคลุมมากกว่าวัสดุป้องกันแบบพาสซีฟและการคาดการณ์สภาพอากาศในอวกาศในปัจจุบัน และเนื่องจากสนามแม่เหล็กของโลกได้พิสูจน์แล้วว่ามีประโยชน์มาก นักวิจัยจากคณะกรรมาธิการยุโรป (CORDIS) ได้ทำการวิจัยเกี่ยวกับการสร้างอันที่มีขนาดเล็กพอที่จะติดตั้งบนยานอวกาศได้ ซึ่งมีชื่อว่า Space Radiation Superconducting Shield (SR2S)

โครงการ SR2.7S มูลค่า 2 ล้านยูโร ซึ่งเริ่มดำเนินการตั้งแต่ปี 2013 ถึง พ.ศ. 2015 ได้ขยายแนวคิดในการใช้แม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กที่หยุดการแผ่รังสีซึ่งคิดค้นโดย Wernher von Braun อดีตวิศวกรการบินและอวกาศของนาซีในปี 1969 สนามแม่เหล็กที่ผลิตได้จะ มีความเข้มข้นมากกว่าที่ล้อมรอบโลกมากกว่า 3,000 เท่า และจะขยายออกไปเป็นทรงกลม 10 เมตร

“ในกรอบของโครงการ เราจะทดสอบในอีกไม่กี่เดือนข้างหน้า ขดลวดของสนามแข่งที่พันด้วยเทปตัวนำยิ่งยวด MgB2” เบอร์นาร์โด บอร์ดินี ผู้ประสานงานกิจกรรม CERN ในกรอบงานของโครงการ SR2S . "ขดลวดต้นแบบถูกออกแบบมาเพื่อวัดประสิทธิภาพของเทคโนโลยีป้องกันแม่เหล็กที่มีตัวนำยิ่งยวด"

มันจะไม่ปิดกั้นรังสีที่เข้ามาทั้งหมด แต่จะคัดกรองประเภทที่สร้างความเสียหายมากที่สุด เช่น GCR ซึ่งไหลผ่านเกราะป้องกันแบบพาสซีฟเหมือนน้ำผ่านกระชอน ด้วยการลดอัตราที่นักบินอวกาศได้รับรังสี พวกเขาจะสามารถรับใช้ในภารกิจที่มีระยะเวลานานขึ้นเรื่อยๆ ก่อนถึงขีดจำกัดการสัมผัสตลอดชีวิตของ NASA

ดร. Riccardo Musenich ผู้จัดการด้านวิทยาศาสตร์และเทคนิคของโครงการกล่าวว่า "ในขณะที่สนามแม่เหล็กเบี่ยงเบนรังสีคอสมิกมายังโลก สนามแม่เหล็กที่เกิดจากแม่เหล็กตัวนำยิ่งยวดรอบๆ ยานอวกาศจะปกป้องลูกเรือ" ในปี 2014 “SR2S เป็นโครงการแรกที่ไม่เพียงแต่ตรวจสอบหลักการและปัญหาทางวิทยาศาสตร์ (ของการป้องกันแม่เหล็ก) แต่ยังเผชิญกับปัญหาที่ซับซ้อนในด้านวิศวกรรม”

มีการสร้างและทดสอบขดลวดตัวนำยิ่งยวดสองชุดแล้ว เพื่อสร้างแม่เหล็กน้ำหนักเบา แต่นี่เป็นการวิจัยเบื้องต้น ทีมงาน CORDIS ไม่ได้คาดหวังว่าเทคโนโลยีนี้จะเข้าสู่อวกาศได้อีกสองสามทศวรรษ

นักวิจัยจากภาควิชาดาราศาสตร์ของมหาวิทยาลัยวิสคอนซิน-แมดิสัน เพิ่งเริ่มพัฒนาแนวคิดของคอร์ดิสในรูปแบบของตนเอง ของพวกเขา โครงการ (CREW HaT) ซึ่งได้รับเงินทุนในการสร้างต้นแบบจากโครงการ Innovative Advanced Concepts (NIAC) ของ NASA ในเดือนกุมภาพันธ์ ใช้ “เทคโนโลยีเทปตัวนำยิ่งยวดใหม่ การออกแบบที่ปรับใช้ได้ และการกำหนดค่าใหม่สำหรับสนามแม่เหล็กที่ไม่เคยมีการสำรวจมาก่อน” ตามที่รองศาสตราจารย์ UWM และผู้เขียนนำการวิจัย Dr. Elena D'Onghia กล่าว ในเดือนพฤษภาคม.

"เรขาคณิตของ HaT ไม่เคยมีการสำรวจมาก่อนในบริบทนี้หรือศึกษาร่วมกับเทปตัวนำยิ่งยวดสมัยใหม่" เธอกล่าวใน . "มันเปลี่ยนทิศทางมากกว่าร้อยละ 50 ของรังสีคอสมิกที่สร้างความเสียหายทางชีววิทยา (โปรตอนต่ำกว่า 1 GeV) และไอออน Z ที่มีพลังงานสูง ซึ่งก็เพียงพอแล้วที่จะลดปริมาณรังสีที่มนุษย์อวกาศดูดกลืนลงสู่ระดับที่น้อยกว่าร้อยละ 5 ของความเสี่ยงตลอดชีวิตของระดับการเสียชีวิตด้วยโรคมะเร็งที่ NASA กำหนดขึ้น”

หรือนักบินอวกาศอาจสวมเสื้อเกราะตะกั่วเพื่อปกป้องความเป็นส่วนตัว

แต่ทำไมต้องพยายามห่อหุ้มยานอวกาศทั้งลำด้วยแม่เหล็ก ทั้งที่จริง ๆ แล้วมันเป็นแค่ลำตัวและหัวเพียงไม่กี่ตัวที่ต้องการการป้องกันจริงๆ นั่นคือแนวคิดเบื้องหลัง (มาเร).

เสื้อกั๊ก MARE สองชุดได้รับการพัฒนาร่วมกับหน่วยงานอวกาศของอิสราเอล (ISA) และศูนย์การบินและอวกาศของเยอรมนี (DLR) ทั้งสองจะถูกผูกไว้บนหุ่นจำลองที่เหมือนกัน และปล่อยสู่อวกาศบนภารกิจดวงจันทร์ไร้คนขับของกลุ่มดาวนายพราน ในเที่ยวบินสามสัปดาห์ของพวกเขา หุ่นที่ชื่อ Helga และ Zohar จะเดินทางประมาณ 280,000 ไมล์จากโลกและห่างออกไปหลายพันไมล์ผ่านดวงจันทร์ อวัยวะภายในของพวกมันถูกออกแบบมาเพื่อเลียนแบบกระดูกของมนุษย์และเนื้อเยื่ออ่อน ทำให้นักวิจัยสามารถวัดปริมาณรังสีที่จำเพาะที่พวกเขาได้รับ

พี่น้องกำลังศึกษาอยู่บน ISS, the (CHARGE) มุ่งเน้นที่ประสิทธิภาพการป้องกันรังสีของเสื้อกั๊กน้อยลงและมากขึ้นในด้านสรีรศาสตร์ ความพอดีและความรู้สึกของมันในขณะที่นักบินอวกาศปฏิบัติภารกิจประจำวัน องค์การอวกาศยุโรปยังกำลังตรวจสอบการป้องกันรังสีจากเสื้อผ้าด้วย ซึ่งเป็น "อุปกรณ์ฉุกเฉินที่มีจุดมุ่งหมายเพื่อปกป้องนักบินอวกาศจากรังสีดวงอาทิตย์ที่รุนแรงเมื่อเดินทางออกจากสนามแม่เหล็กในภารกิจ Deep Space ในอนาคต"

หรือเราจะเรียงตัวเรือด้วยน้ำและอุจจาระ!

สื่อที่มีความสุขอย่างหนึ่งระหว่างความรู้สึกไม่สบายในระยะใกล้ของการสวมผ้ากันเปื้อนที่มีสารตะกั่วในสภาวะไร้น้ำหนักและความกังวลที่มีอยู่ว่าอาจมี synapses ของคุณถูกรบกวนด้วยแม่เหล็กไฟฟ้าอันทรงพลังเรียกว่า .

“ธรรมชาติไม่ใช้คอมเพรสเซอร์ เครื่องระเหย กระป๋องลิเธียมไฮดรอกไซด์ เทียนออกซิเจน หรือเครื่องประมวลผลปัสสาวะ” Marc M. Cohen Arch.D โต้แย้งในเอกสารปี 2013 . “สำหรับการปฏิบัติงานในระยะยาว เช่นเดียวกับในยานอวกาศระหว่างดาวเคราะห์ สถานีอวกาศ หรือฐานดวงจันทร์/ดาวเคราะห์ ระบบเครื่องกลไฟฟ้าแบบแอคทีฟเหล่านี้มีแนวโน้มว่าจะเกิดความล้มเหลวได้ง่าย เนื่องจากวัฏจักรหน้าที่ต่อเนื่องทำให้การบำรุงรักษาทำได้ยาก”

ดังนั้น แทนที่จะพึ่งพากลไกที่หนักและซับซ้อนในการประมวลผลของเสียที่มนุษย์อวกาศปล่อยออกมาในระหว่างปฏิบัติภารกิจ ระบบนี้ใช้ถุงออสโมซิสที่เลียนแบบวิธีการกรองน้ำบริสุทธิ์ตามธรรมชาติของตัวเอง นอกจากการบำบัดน้ำสีเทาและสีดำแล้ว ถุงเหล่านี้ยังสามารถดัดแปลงเพื่อขัด CO2 จากอากาศ ปลูกสาหร่ายเพื่อเป็นอาหารและเชื้อเพลิง และสามารถนำไปประกบกับลำตัวด้านในของยานอวกาศเพื่อให้การป้องกันแบบพาสซีฟที่เหนือกว่าจากอนุภาคพลังงานสูง

"น้ำดีกว่าโลหะสำหรับการป้องกัน [รังสี]" Marco Durante จากมหาวิทยาลัยเทคนิคแห่งดาร์มสตัดท์ในเยอรมนีกล่าว . นี่เป็นเพราะว่านิวเคลียสสามอะตอมของโมเลกุลน้ำมีมวลมากกว่าอะตอมของโลหะ ดังนั้นจึงมีประสิทธิภาพมากกว่าในการสกัดกั้น GCR และรังสีพลังงานสูงอื่นๆ เขากล่าวต่อ

ลูกเรือในภารกิจ Inspiration Mars ที่เสนอ ซึ่งจะยิงหนังสติ๊กนักบินอวกาศส่วนตัวคู่หนึ่งรอบดาวอังคารด้วยการโบยบินอันน่าทึ่งในขณะที่ดาวเคราะห์ทั้งสองดวงอยู่ในวงโคจรที่ใกล้ที่สุดในปี 2018 คุณไม่เคยได้ยินเรื่องนี้มาก่อนเพราะ ดำเนินไปอย่างเงียบ ๆ ในปี 2015 แต่หากพวกเขาดึงเอาความสำเร็จนั้นออกไป แผนการก็คือให้นักบินอวกาศเซ่อลงในถุง โซะฟ่อนเอาของเหลวเพื่อนำกลับมาใช้ใหม่ แล้วกองอิฐที่ปิดผนึกสูญญากาศไว้กับผนังของยานอวกาศ - ข้างกล่องของพวกเขา ของอาหาร — เพื่อทำหน้าที่เป็นฉนวนรังสี

Taber MacCallum สมาชิกขององค์กรไม่แสวงหากำไรที่ได้รับทุนจาก Dennis Tito กล่าวว่า "มันฟังดูไม่มั่นคงนัก แต่ไม่มีที่สำหรับให้วัสดุนั้นไป และมันทำให้ป้องกันรังสีได้ดีเยี่ยม" นักวิทยาศาสตร์นิว. “อาหารจะถูกเก็บไว้รอบๆ ผนังยานอวกาศ เพราะอาหารสามารถป้องกันรังสีได้ดี” มันเป็นเพียงการเดินทางอย่างรวดเร็วไปยังดาวเคราะห์ดวงถัดไป ใครต้องการระบบประปาและการยังชีพ?