Як NASA може захистити астронавтів завтрашнього дня від радіації далекого космосу

Tось , незалежно від того, з чи , або . І це смерть від радіації.

Ті самі енергетичні викиди нашої місцевої зірки, які дають вам засмагу якщо це не так . Хоча сьогодні екіпаж і вантажні капсули на низькій орбіті Землі можуть не бути оснащені власними мініатюрними магнітосферами, завтрашній день може — або, можливо, ми просто захистимо перших дослідників глибокого космосу людства від міжзоряного випромінювання, .

Види радіації і що з ними робити

Як інсульти і люди, існують різні типи та джерела випромінювання як на землі, так і в космосі. Неіонізуюче випромінювання, тобто атом не має достатньо енергії, щоб повністю видалити електрон зі своєї орбіти, можна знайти в мікрохвильових печах, лампочках і сонячних енергетичних частинках (SEP). Хоча ці форми випромінювання можуть пошкодити матеріали та біологічні системи, їх вплив, як правило, може бути заблоковано (отже, сонцезахисний крем і мікрохвильові печі, які не опромінюють цілі кухні) або екрановані озоновим шаром або .

Радіаційні пояси Землі заповнені енергетичними частинками, захопленими магнітним полем Землі, які можуть спричинити хаос електронікою, яку ми відправляємо в космос. Автори: Студія наукової візуалізації NASA/Том Бріджмен

Іонізуюче випромінювання, з іншого боку, є енергійним, щоб викидати електрон, і мало що може сповільнити їх позитивно заряджений імпульс. Альфа- та бета-частинки, гамма-промені, рентгенівські промені та галактичні космічні промені, «важкі високоенергетичні іони елементів, у яких усі електрони були вилучені, коли вони подорожували галактикою майже зі швидкістю світла», . «GCR є домінуючим джерелом випромінювання, з яким потрібно боротися на борту поточних космічних кораблів і майбутніх космічних місій у нашій Сонячній системі». Інтенсивність ГКЛ обернено пропорційна відносній силі магнітного поля Сонця, що означає, що вони найсильніші, коли поле Сонця найслабше і найменше здатне їх відхиляти.

Незважаючи на різну природу, як GCR, так і SEP разом із самими нашими біологічними тілами. Їх постійне бомбардування має кумулятивний негативний вплив на фізіологію людини, що призводить не тільки до раку, але й до катаракти, неврологічних ушкоджень, мутацій зародкової лінії та гострої променевої хвороби, якщо доза достатньо висока. Що стосується матеріалів, частинки високої енергії та фотони можуть спричинити «тимчасове пошкодження або постійний вихід з ладу матеріалів або пристроїв космічного корабля», зазначає Зічай Шен з Пекінського інституту інженерії навколишнього середовища космічних апаратів у 2019 році. .

«Заряджені частинки поступово втрачають енергію, проходячи крізь матеріал, і, нарешті, захоплюють достатню кількість електронів, щоб зупинитися», — додали вони. «Коли товщина захисного матеріалу перевищує діапазон зарядженої частинки в матеріалі, падаючі частинки блокуються в матеріалі».

Як NASA зараз захищає своїх астронавтів

Щоб гарантувати, що астронавти завтрашнього дня прибудуть на Марс з неушкодженими зубами і нігтями, NASA витратило майже чотири десятиліття на збір даних і вивчення впливу радіації на організм людини. Агентство (SRAG) у космічному центрі Джонсона, згідно з його веб-сайтом, «відповідає за те, щоб радіаційне опромінення, отримане астронавтами, залишалося нижче ».

, «типова середня доза для людини становить близько 360 мрем на рік, або 3.6 мЗв, що є невеликою дозою. Однак міжнародні стандарти допускають опромінення до 5,000 мрэм (50 мЗв) на рік для тих, хто працює з радіоактивними матеріалами та навколо них. Для космічних польотів ліміт вищий. Межа NASA для радіаційного опромінення на низькій орбіті Землі становить 50 мЗв/рік, або 50 рем/рік”.

Офіцери SRAG з космічного середовища (SEO) мають забезпечити, щоб астронавти могли успішно завершити свою місію, не поглинаючи занадто багато RAD. Вони враховують різноманітні чинники навколишнього середовища та ситуації під час космічного польоту — незалежно від того, чи перебувають астронавти на LEO чи на поверхні Місяця, залишаються вони в космічному кораблі чи виходять у відкритий космос, або — поєднують і моделюють цю інформацію з даними, зібраними з а також , приймати свої рішення.

Команда в Центрі космічних польотів Годдарда, служить майже для тих же цілей, що і SRAG, але для механічних систем, працюючи над розробкою ефективнішого екранування та більш надійних матеріалів для використання на орбіті.

«Ми зможемо гарантувати, що люди, електроніка, космічні кораблі та інструменти — все, що ми насправді відправляємо в космос — виживе в середовищі, в яке ми це поміщаємо», — сказала Меган Кейсі, інженер з аерокосмічної діяльності REAG. . «Залежно від того, куди вони їдуть, ми розповідаємо дизайнерам місії, яким буде їхнє космічне середовище, і вони повертаються до нас зі своїми планами приладів і запитують: «Чи виживуть ці частини?» Відповідь завжди так, ні, або я не знаю. Якщо ми не знаємо, тоді ми проводимо додаткове тестування. Це переважна більшість нашої роботи».

Дослідження NASA триватимуть і розширюватимуться протягом майбутньої ери місії Artemis. , як ракета SLS, так і космічний корабель Orion будуть оснащені датчиками, які вимірюють рівні радіації в глибокому космосі за межами Місяця — зокрема, розглядаючи відмінності у відносних рівнях за межами поясів Ван Аллена на Землі. Зібрані дані та уроки, отримані під час цих перших польотів без екіпажу, допоможуть інженерам NASA побудувати кращі космічні кораблі з більшим захистом у майбутньому.

І як тільки він врешті-решт буде побудований, екіпаж на борту буде підтримувати великий набір датчиків радіації, включаючи , призначений для ретельного та постійного вимірювання рівнів на станції, коли вона здійснює тижневу довгасту орбіту навколо Місяця.

«Розуміння впливу радіаційного середовища не тільки має вирішальне значення для розуміння середовища, де астронавти будуть жити поблизу Місяця, але воно також надасть важливі дані, які можна використовувати, коли NASA готується до ще більших зусиль, як-от надсилання перші люди на Марс», – сказала Діна Контелла, менеджер з інтеграції та використання місії Gateway. .

У майбутньому NASA може використовувати магнітні бульбашки

Завтрашні походи в міжпланетний простір, де GCR і SEP більш поширені, вимагатимуть більш комплексного захисту, ніж можуть забезпечити нинішні сучасні пасивні захисні матеріали та прогнози космічної погоди. І оскільки власна магнітосфера Землі виявилася такою зручною, дослідники з Європейської комісії (CORDIS) дослідили створення достатньо маленького, щоб поміститися на космічному кораблі, який отримав назву Надпровідний щит космічного випромінювання (SR2S).

Програма SR2.7S 2 мільйона євро, яка діяла з 2013 по 2015 рік, розширювала ідею використання надпровідних магнітів для створення магнітного силового поля, що зупиняє випромінювання, вперше розроблену колишнім нацистським аерокосмічним інженером Вернером фон Брауном у 1969 році. бути більш ніж у 3,000 разів більш сконцентрованим, ніж той, що оточує Землю, і розтягнувся б у 10-метровій кулі.

«У рамках проекту в найближчі місяці ми випробуємо котушку іподрому, намотану надпровідною стрічкою MgB2», – Бернардо Бордіні, координатор діяльності CERN в рамках проекту SR2S, . «Прототип котушки розроблений для кількісної оцінки ефективності технології надпровідного магнітного екранування».

Він не блокував би все вхідне випромінювання, але ефективно відсівав би найбільш шкідливі типи, як-от GCR, який протікає через пасивне екранування, як вода через друшляк. Знижуючи швидкість, з якою астронавти піддаються радіації, вони зможуть служити в більш тривалих місіях, перш ніж досягти межі довічного впливу NASA.

«Оскільки магнітосфера відхиляє космічні промені, спрямовані на Землю, магнітне поле, створене надпровідним магнітом, що оточує космічний корабель, захистить екіпаж», – сказав доктор Ріккардо Мусеніч, науково-технічний керівник проекту. у 2014 році. «SR2S — це перший проект, який не тільки досліджує принципи та наукові проблеми (магнітного екранування), але й стикається зі складними проблемами в інженерії».

Дві надпровідні котушки вже сконструйовані та випробувані, для створення легких магнітів, але це дуже попереднє дослідження, зауважте. Команда CORDIS не очікує, що ця технологія вийде в космос ще кілька десятиліть.

Дослідники з кафедри астрономії Університету Вісконсін-Медісон нещодавно взялися за розробку власної версії ідеї CORDIS. Їхній Проект (CREW HaT), який отримав фінансування на створення прототипів від програми NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) у лютому, використовує «нову технологію надпровідної стрічки, розгортану конструкцію та нову конфігурацію для магнітного поля, яка раніше не досліджувалася». за словами доцента UWM та провідного автора досліджень, доктора Олени Д'Онгіа у травні.

«Геометрія HaT ніколи раніше не досліджувалася в цьому контексті і не вивчалася в поєднанні з сучасними надпровідними стрічками», — сказала вона в . «Він відволікає понад 50 відсотків шкідливих для біології космічних променів (протони нижче 1 ГеВ) та високоенергетичних іонів високої Z. Цього достатньо, щоб зменшити дозу опромінення, поглинуту астронавтами, до рівня, який становить менше 5 відсотків від надлишкового ризику смертності від раку протягом життя, встановленого НАСА».

Або астронавти можуть носити свинцеві жилети, щоб захистити свої особини

Але навіщо намагатися магнітно інкапсулювати весь космічний корабель, коли насправді це лише кілька тулубів і голів, які насправді потребують захисту? Це ідея, яка лежить в основі (КОБИЛА).

Два жилети MARE, розроблені в партнерстві з Ізраїльським космічним агентством (ISA) і Німецьким аерокосмічним центром (DLR), будуть закріплені на ідентичних манекенах і запущені в космос на борту місії Оріон без екіпажу. Під час свого тритижневого польоту манекени на ім’я Хельга і Зоар проїдуть приблизно 280,000 XNUMX миль від Землі та тисячі миль повз Місяць. Їх нутрощі створені так, щоб імітувати людські кістки та м’які тканини, що дозволяє дослідникам вимірювати конкретні дози радіації, які вони отримують.

Його брат і сестра навчаються на борту МКС, в (CHARGE), зосереджується менше на ефективності жилета проти радіації, а більше на ергономіці, підході та відчуття, коли астронавти виконують свої щоденні обов’язки. Європейське космічне агентство також досліджує захист від радіації на основі одягу , «пристрій для надзвичайних ситуацій, який має на меті захистити астронавтів від інтенсивного сонячного випромінювання під час подорожі за межі магнітосфери під час майбутніх місій у глибокий космос».

Або ми облиємо корпуси кораблів водою і какашками!

Одне щасливе середовище між близьким дискомфортом від носіння свинцевого фартуха в умовах мікрогравітації та екзистенційним занепокоєнням, що ваші синапси можуть бути зашифровані потужним електромагнітом, відомий як .

«Природа не використовує компресорів, випарників, балончиків з гідроксидом літію, кисневих свічок чи процесорів сечі», – стверджував Марк М. Коен Arch.D у статті 2013 року. . «При дуже довготривалій експлуатації — як у міжпланетних космічних кораблях, космічній станції чи місячно-планетній базі — ці активні електромеханічні системи, як правило, схильні до збоїв, оскільки безперервні робочі цикли ускладнюють технічне обслуговування».

Таким чином, замість того, щоб покладатися на важку і складну механізацію для обробки відходів, які астронавти виділяють під час місії, ця система використовує осмотичні мішки, які імітують власні пасивні засоби очищення води. На додаток до обробки сірої та чорної води, ці мішки також можна пристосувати для очищення повітря від CO2, вирощування водоростей для отримання їжі та палива, а також можна прикріпити до внутрішнього корпусу космічного корабля, щоб забезпечити чудовий пасивний захист від високоенергетичних частинок.

«Вода краща за метали для захисту від радіації», – сказав Марко Дуранте з Дармштадтського технічного університету в Німеччині. . Це пояснюється тим, що триатомне ядро ​​молекули води містить більшу масу, ніж атом металу, і тому є більш ефективним для блокування GCR та інших високоенергетичних променів, продовжив він.

Екіпаж на борту запропонованої місії Inspiration Mars, яка мала б застрелити пару приватних астронавтів навколо Марса під час вражаючого обльоту, поки дві планети були на найближчій орбіті в 2018 році. Ви нічого про це не чули, тому що У 2015 році тихо занепав. Але якби вони якимось чином впоралися з цим подвигом, план полягав у тому, щоб астронавти якали в мішки, витягували рідину для повторного використання, а потім складали вакуумно запечатані цеглини до стінок космічного корабля — разом із своїми коробками. їжі — виконувати роль радіаційної ізоляції.

«Звучить трохи нудно, але цьому матеріалу немає куди подітися, і він чудово захищає від радіації», — сказав Табер МакКаллум, член некомерційної організації, яку фінансує Денніс Тіто. New Scientist. «Їжа буде зберігатися навколо стінок космічного корабля, тому що їжа добре захищає від радіації». Це просто швидка прогулянка на наступну планету, кому потрібні сантехніка та засоби для існування?