Làm thế nào NASA có thể bảo vệ các phi hành gia của ngày mai khỏi bức xạ không gian sâu

Tđây là , dù là từ hay , hoặc . Và là cái chết do bức xạ.

Những nguồn năng lượng phát ra tương tự từ ngôi sao địa phương của chúng ta mang lại cho bạn làn da rám nắng nếu nó không . Trong khi phi hành đoàn trên quỹ đạo Trái đất thấp và các khoang chở hàng ngày nay có thể không được trang bị từ quyển thu nhỏ của riêng họ, thì có thể vào ngày mai - hoặc có thể chúng ta sẽ bảo vệ những nhà thám hiểm không gian sâu đầu tiên của nhân loại khỏi bức xạ giữa các vì sao bằng cách .

Các loại bức xạ và cách xử lý chúng

Giống như đột quỵ và con người, có nhiều loại và nguồn bức xạ khác nhau cả trên mặt đất và trong không gian. Bức xạ không ion hóa, nghĩa là nguyên tử không có đủ năng lượng để loại bỏ hoàn toàn một electron khỏi quỹ đạo của nó, có thể được tìm thấy trong lò vi sóng, bóng đèn và Hạt năng lượng mặt trời (SEP) như. Mặc dù các dạng bức xạ này có thể làm hỏng vật liệu và hệ thống sinh học, nhưng tác động của chúng thường có thể bị chặn lại (do đó kem chống nắng và lò vi sóng không chiếu xạ toàn bộ nhà bếp) hoặc được che chắn bởi lớp Ozone hoặc.

Các vành đai bức xạ của Trái đất chứa đầy các hạt năng lượng bị giữ lại bởi từ trường Trái đất và có thể tàn phá các thiết bị điện tử mà chúng ta gửi lên không gian. Nhà cung cấp hình ảnh: Studio Trực quan Khoa học của NASA/Tom Bridgman

Mặt khác, bức xạ ion hóa có năng lượng làm mất đi một electron và không có nhiều thứ có thể làm chậm động lượng tích điện dương của chúng. Các hạt alpha và beta, tia Gamma, tia X và Tia vũ trụ thiên hà, “các ion nặng, năng lượng cao của các nguyên tố đã bị tước hết electron khi chúng di chuyển qua thiên hà với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng,” . “GCR là nguồn bức xạ chủ yếu phải được xử lý trên tàu vũ trụ hiện tại và các sứ mệnh không gian trong tương lai trong hệ mặt trời của chúng ta.” Cường độ GCR tỷ lệ nghịch với cường độ tương đối của từ trường Mặt trời, nghĩa là chúng mạnh nhất khi từ trường Mặt trời yếu nhất và ít có khả năng làm chệch hướng chúng nhất.

Mặc dù có bản chất khác nhau nhưng cả GCR và SEP cùng với chính cơ thể sinh học của chúng ta. Sự bắn phá liên tục của chúng có tác động tiêu cực tích lũy đến sinh lý con người, dẫn đến không chỉ ung thư mà còn đục thủy tinh thể, tổn thương thần kinh, đột biến dòng mầm và bệnh phóng xạ cấp tính nếu liều lượng đủ cao. Đối với vật liệu, các hạt và photon năng lượng cao có thể gây ra “thiệt hại tạm thời hoặc hỏng hóc vĩnh viễn cho vật liệu hoặc thiết bị tàu vũ trụ”, Zicai Shen thuộc Viện Kỹ thuật Môi trường Tàu vũ trụ Bắc Kinh lưu ý vào năm 2019. .

Họ cho biết thêm: “Các hạt tích điện dần dần mất năng lượng khi chúng đi qua vật liệu và cuối cùng thu được đủ số electron để dừng lại”. “Khi độ dày của vật liệu che chắn lớn hơn phạm vi của hạt tích điện trong vật liệu, các hạt tới sẽ bị chặn lại trong vật liệu.”

NASA hiện đang bảo vệ các phi hành gia của mình như thế nào

Để đảm bảo rằng các phi hành gia trong tương lai sẽ đến Sao Hỏa với tất cả răng và móng tay còn nguyên vẹn, NASA đã dành gần bốn thập kỷ để thu thập dữ liệu và nghiên cứu ảnh hưởng của bức xạ lên cơ thể con người. của cơ quan (SRAG) tại Trung tâm Vũ trụ Johnson, theo trang web của mình, “chịu trách nhiệm đảm bảo rằng mức độ phơi nhiễm bức xạ mà các phi hành gia nhận được vẫn ở mức thấp hơn ".

“Liều trung bình điển hình đối với một người là khoảng 360 mrems mỗi năm, hay 3.6 mSv, một liều lượng nhỏ. Tuy nhiên, Tiêu chuẩn Quốc tế cho phép những người làm việc gần và tiếp xúc với chất phóng xạ ở mức tối đa 5,000 mrems (50 mSv) mỗi năm. Đối với chuyến bay vào vũ trụ, giới hạn này cao hơn. Giới hạn của NASA đối với mức phơi nhiễm bức xạ trong quỹ đạo Trái đất thấp là 50 mSv/năm, hoặc 50 rem/năm.”

Các Cán bộ Môi trường Không gian (SEO) của SRAG được giao nhiệm vụ đảm bảo rằng các phi hành gia có thể hoàn thành xuất sắc sứ mệnh của mình mà không hấp thụ quá nhiều RAD. Họ tính đến các yếu tố môi trường và tình huống khác nhau xuất hiện trong một chuyến bay vũ trụ - cho dù các phi hành gia đang ở trong LEO hay trên bề mặt mặt trăng, cho dù họ ở trong tàu vũ trụ hay đi bộ ngoài không gian, hay - kết hợp và lập mô hình thông tin đó với dữ liệu được thu thập từ cũng như , để đưa ra quyết định của mình.

Sản phẩm tại Trung tâm bay không gian Goddard, phục vụ mục đích tương tự như SRAG nhưng dành cho các hệ thống cơ khí, hoạt động để phát triển các vật liệu che chắn hiệu quả hơn và chắc chắn hơn để sử dụng trên quỹ đạo.

Megan Casey, một kỹ sư hàng không vũ trụ tại REAG cho biết: “Chúng tôi sẽ có thể đảm bảo rằng con người, thiết bị điện tử, tàu vũ trụ và thiết bị – bất cứ thứ gì chúng tôi thực sự gửi vào vũ trụ – sẽ tồn tại trong môi trường mà chúng tôi đặt nó vào”. . “Dựa trên nơi họ sẽ đến, chúng tôi cho các nhà thiết kế sứ mệnh biết môi trường không gian của họ sẽ như thế nào và họ quay lại với chúng tôi với kế hoạch về thiết bị của họ và hỏi: 'Những bộ phận này có tồn tại ở đó không?' Câu trả lời luôn là có, không hoặc tôi không biết. Nếu chúng tôi không biết thì đó là lúc chúng tôi thực hiện thử nghiệm bổ sung. Đó là phần lớn công việc của chúng tôi.”

Nghiên cứu của NASA sẽ tiếp tục và mở rộng trong suốt kỷ nguyên sứ mệnh Artemis sắp tới. , cả tên lửa SLS và tàu vũ trụ Orion sẽ được trang bị các cảm biến đo mức bức xạ trong không gian sâu ngoài mặt trăng - đặc biệt là xem xét sự khác biệt về mức độ tương đối ngoài Vành đai Van Allen của Trái đất. Dữ liệu được thu thập và bài học rút ra từ những chuyến bay không người lái đầu tiên này sẽ giúp các kỹ sư của NASA chế tạo tàu vũ trụ tốt hơn, được bảo vệ tốt hơn trong tương lai.

Và khi nó cuối cùng đã được xây dựng, đội ngũ trên tàu sẽ duy trì một bộ cảm biến bức xạ mở rộng, bao gồm cả , được thiết kế để đo lường một cách cẩn thận và liên tục các mức trong trạm khi nó thực hiện quỹ đạo hình chữ nhật kéo dài một tuần quanh mặt trăng.

“Hiểu được tác động của môi trường bức xạ không chỉ quan trọng đối với nhận thức về môi trường nơi các phi hành gia sẽ sống ở vùng lân cận Mặt trăng mà còn cung cấp dữ liệu quan trọng có thể được sử dụng khi NASA chuẩn bị cho những nỗ lực lớn hơn nữa, như gửi tàu vũ trụ con người đầu tiên lên sao Hỏa,” Dina Contella, người quản lý Tích hợp và Sử dụng Sứ mệnh Cổng, cho biết trong .

NASA có thể sử dụng bong bóng từ tính trong tương lai

Những chuyến đi vào không gian liên hành tinh trong ngày mai, nơi GCR và SEP phổ biến hơn, sẽ cần sự bảo vệ toàn diện hơn so với các vật liệu che chắn thụ động hiện đại và các dự đoán dự báo thời tiết không gian có thể mang lại. Và vì từ quyển của Trái đất tỏ ra rất tiện dụng nên các nhà nghiên cứu thuộc Ủy ban Châu Âu (CORDIS) đã nghiên cứu tạo ra một thiết bị đủ nhỏ để đặt trên tàu vũ trụ, được đặt tên là Khiên siêu dẫn bức xạ không gian (SR2S).

Chương trình SR2.7S trị giá 2 triệu euro, thực hiện từ năm 2013 đến năm 2015, đã mở rộng ý tưởng sử dụng nam châm siêu dẫn để tạo ra trường lực từ ngăn chặn bức xạ, được phát minh lần đầu tiên bởi cựu kỹ sư hàng không vũ trụ thời Đức Quốc xã Wernher von Braun vào năm 1969. Từ trường được tạo ra sẽ tập trung hơn 3,000 lần so với vùng bao quanh Trái đất và sẽ mở rộng ra thành một quả cầu 10 mét.

“Trong khuôn khổ dự án, trong những tháng tới, chúng tôi sẽ thử nghiệm một cuộn dây đường đua được quấn bằng băng siêu dẫn MgB2,” Bernardo Borderi, điều phối viên hoạt động CERN trong khuôn khổ dự án SR2S, cho biết. . “Cuộn dây nguyên mẫu được thiết kế để định lượng hiệu quả của công nghệ che chắn từ tính siêu dẫn.”

Nó sẽ không chặn tất cả các bức xạ tới, nhưng sẽ sàng lọc một cách hiệu quả những loại gây hại nhất, như GCR, chảy qua tấm chắn thụ động như nước qua một cái chao. Bằng cách giảm tốc độ các phi hành gia tiếp xúc với bức xạ, họ sẽ có thể thực hiện các nhiệm vụ có thời lượng ngày càng dài hơn trước khi đạt đến giới hạn phơi nhiễm trong suốt cuộc đời của NASA.

Tiến sĩ Riccardo Musenich, giám đốc khoa học và kỹ thuật của dự án, cho biết: “Khi từ quyển làm chệch hướng các tia vũ trụ hướng về trái đất, từ trường được tạo ra bởi một nam châm siêu dẫn bao quanh tàu vũ trụ sẽ bảo vệ phi hành đoàn”. vào năm 2014. “SR2S là dự án đầu tiên không chỉ nghiên cứu các nguyên tắc và các vấn đề khoa học (của che chắn từ tính) mà còn phải đối mặt với các vấn đề phức tạp trong kỹ thuật.”

Hai cuộn dây siêu dẫn đã được chế tạo và thử nghiệm, để chế tạo nam châm nhẹ nhưng đây chỉ là nghiên cứu sơ bộ thôi, bạn nhớ nhé. Nhóm CORDIS không mong đợi công nghệ này sẽ được đưa vào vũ trụ trong vài thập kỷ nữa.

Các nhà nghiên cứu từ Khoa Thiên văn học của Đại học Wisconsin–Madison gần đây đã bắt đầu phát triển phiên bản ý tưởng CORDIS của riêng họ. Của họ (CREW HaT), đã nhận được tài trợ tạo mẫu từ chương trình Khái niệm tiên tiến đổi mới (NIAC) của NASA vào tháng 2, sử dụng “công nghệ băng siêu dẫn mới, thiết kế có thể triển khai và cấu hình mới cho từ trường chưa từng được khám phá trước đây,” theo phó giáo sư UWM và tác giả chính của nghiên cứu, Tiến sĩ Elena D'Onghia nói vào tháng Năm.

Cô nói: “Hình học HaT chưa bao giờ được khám phá trước đây trong bối cảnh này hoặc được nghiên cứu kết hợp với các băng siêu dẫn hiện đại”. . “Nó chuyển hướng hơn 50% các tia vũ trụ gây tổn hại sinh học (proton dưới 1 GeV) và các ion Z cao năng lượng cao hơn. Điều này đủ để giảm liều bức xạ mà các phi hành gia hấp thụ xuống mức thấp hơn 5% nguy cơ vượt quá mức tử vong do ung thư do NASA thiết lập.”

Hoặc các phi hành gia có thể mặc áo khoác chì để bảo vệ vùng kín của họ

Nhưng tại sao lại phải nỗ lực đóng gói từ tính toàn bộ con tàu vũ trụ khi thực sự chỉ có một số phần thân và đầu thực sự cần được bảo vệ? Đó là ý tưởng đằng sau (MARE).

Được phát triển với sự hợp tác của cả Cơ quan Vũ trụ Israel (ISA) và Trung tâm Hàng không Vũ trụ Đức (DLR), hai trong số những chiếc áo vest MARE sẽ được buộc trên những con ma-nơ-canh giống hệt nhau và được phóng lên vũ trụ trên sứ mệnh mặt trăng không người lái của Orion. Trong chuyến bay kéo dài ba tuần của họ, các ma-nơ-canh, tên là Helga và Zohar, sẽ di chuyển khoảng 280,000 dặm từ Trái đất và hàng ngàn dặm qua mặt trăng. Bộ phận bên trong của chúng được thiết kế mô phỏng xương và mô mềm của con người, cho phép các nhà nghiên cứu đo liều bức xạ cụ thể mà chúng nhận được.

Anh chị em của nó nghiên cứu trên ISS, (CHARGE), ít tập trung vào hiệu quả chống bức xạ của áo vest mà tập trung nhiều hơn vào tính công thái học, sự vừa vặn và cảm giác của nó khi các phi hành gia thực hiện nhiệm vụ hàng ngày của họ. Cơ quan Vũ trụ Châu Âu cũng đang nghiên cứu việc che chắn bức xạ trên quần áo bằng , một “thiết bị khẩn cấp nhằm bảo vệ các phi hành gia khỏi bức xạ mặt trời cường độ cao khi di chuyển ra khỏi từ quyển trong các sứ mệnh Không gian sâu trong tương lai”.

Hoặc chúng ta sẽ rải nước và phân lên thân tàu!

Một phương tiện hài lòng giữa cảm giác khó chịu khi đeo tạp dề có chì trong môi trường vi trọng lực và nỗi lo lắng hiện hữu về khả năng các khớp thần kinh của bạn bị xáo trộn bởi một nam châm điện cực mạnh được gọi là .

Marc M. Cohen Arch.D, lập luận trong bài báo năm 2013: “Thiên nhiên không sử dụng máy nén, thiết bị bay hơi, hộp lithium hydroxit, nến oxy hoặc máy xử lý nước tiểu”. . “Đối với hoạt động rất lâu dài – như trong tàu vũ trụ liên hành tinh, trạm vũ trụ hoặc căn cứ mặt trăng/hành tinh – những hệ thống cơ điện hoạt động này có xu hướng dễ bị hỏng hóc vì chu kỳ làm việc liên tục khiến việc bảo trì trở nên khó khăn.”

Vì vậy, thay vì dựa vào cơ giới hóa nặng nề và phức tạp để xử lý chất thải mà các phi hành gia thải ra trong một sứ mệnh, hệ thống này sử dụng các túi thẩm thấu mô phỏng phương tiện lọc nước thụ động của tự nhiên. Ngoài việc xử lý nước xám và nước đen, những chiếc túi này còn có thể được điều chỉnh để lọc CO2 từ không khí, nuôi tảo làm thực phẩm và nhiên liệu, đồng thời có thể được lót bên trong thân tàu vũ trụ để mang lại khả năng che chắn thụ động vượt trội chống lại các hạt năng lượng cao.

“Nước tốt hơn kim loại trong việc bảo vệ [bức xạ],” Marco Durante của Đại học Kỹ thuật Darmstadt ở Đức, nói. . Điều này là do hạt nhân ba nguyên tử của phân tử nước chứa khối lượng lớn hơn nguyên tử kim loại và do đó ngăn chặn GCR và các tia năng lượng cao khác hiệu quả hơn, ông tiếp tục.

Phi hành đoàn trên sứ mệnh Inspiration Mars được đề xuất, sẽ đưa một cặp phi hành gia tư nhân quay quanh Sao Hỏa trong một chuyến bay ngoạn mục trong khi hai hành tinh ở quỹ đạo gần nhất vào năm 2018. Bạn chưa nghe thấy gì về điều đó bởi vì đã lặng lẽ hoạt động vào năm 2015. Nhưng bằng cách nào đó họ đã thực hiện được kỳ tích đó, kế hoạch là yêu cầu các phi hành gia bỏ phân vào túi, hút chất lỏng ra để tái sử dụng và sau đó chất đống gạch vụn hút chân không lên thành tàu vũ trụ - cùng với hộp của họ của thực phẩm - hoạt động như chất cách nhiệt.

Taber MacCallum, một thành viên của tổ chức phi lợi nhuận do Dennis Tito tài trợ, nói: “Nghe có vẻ hơi buồn nôn, nhưng vật liệu đó không có nơi nào để đi và nó tạo ra tấm chắn bức xạ tuyệt vời”. New Scientist. “Thực phẩm sẽ được dự trữ xung quanh các bức tường của tàu vũ trụ vì thực phẩm có khả năng che chắn bức xạ tốt.” Đó chỉ là một chuyến đi nhanh đến hành tinh tiếp theo, ai cần hệ thống ống nước và nguồn dinh dưỡng?