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失重与高辐射的挑战:如何度过危险的火星之旅?

2021-08-19 09:01     来源:cnBeta     辐射剂量宇宙射线
无论是防晒霜还是钙补充剂,都不足以为前往火星的太空旅行者提供足够的保护,他们依然要面临辐射和外太空失重的影响。2021年5月,SpaceX公司将其星舰SN15原型机发射到了与商用客机相当的巡航高度,然后安全着陆。该公司称,未来的火箭将能够一次搭载100名乘客前往月球,甚至火星。

然而,把火箭发射到火星是一回事,把乘客活着送到火星则是另一回事,确保他们能像离开地球时一样健康就更是一项艰巨的挑战。

据估计,前往火星的旅程长达7个月,除了携带足够的燃料、氧气、水和食物,宇宙飞船还还必须提供一些在地球上平凡无奇,但在太空中却能保证旅行者健康的“奢侈品”。

严重的辐射与零重力环境

地球的大气层和磁场可以保护我们免受有害的太空辐射,但前往火星的旅行者缺乏这样的保护。因此,他们乘坐的飞船需要提供某种辐射屏蔽。

根据来源的不同,辐射可能由不同的粒子组成,能量不一,会对人类的DNA造成不同程度的风险。例如,太阳射出的高能粒子与银河系外宇宙射线的辐射就非常不同。因此,宇宙飞船需要不一样的屏蔽手段。

那么,前往火星的宇航员会受到多少辐射?这种辐射剂量是在地球上的多少倍?美国德雷克大学的物理学家阿塔纳西奥斯·彼得里迪斯表示,情况很令人担忧。根据他的团队计算,往返火星期间宇航员辐射暴露的高值估计在好几希沃特(Sv)的范围内。作为参考,美国核管理委员会将放射性职业工作者一年累积的辐射剂量限制0.05Sv(即50mSv)。

太阳大气层的变化也会对太空中获得的辐射量产生影响。例如,大约11年的太阳活动周期会影响太阳发出的辐射量。不过,由于太阳产生的辐射与来自外太空的宇宙射线之间可能会有复杂的相互作用,因此可能不值得围绕这些周期来安排发射时间。

美国国家航空航天局(NASA)驻休斯顿的辐射分析专家克里·李说:“辐射暴露受到相当多因素的影响,试图围绕太阳活动周期制定计划就像试图把握股市的买卖时间,通常会以亏损告终。”

如果时间足够长,失重也会对人体造成严重损伤。据研究证实,太空站宇航员的承重骨骼中每个月都会损失1%到1.5%的矿物质密度。他们的肌肉量往往也会减少,即使他们所做的运动与在地球上一样多。

“太空飞行存在很多风险,但我不认为这是火星任务的绊脚石,”克里·李说,“(NASA)已经有几名宇航员在太空中执行了将近一年的任务。此外,有证据表明相应的对策可以减缓和阻止在太空中肌肉量和骨密度的损失。”

对于辐射防护与人工重力,目前已经有了几种工程解决方案。德雷克大学的一个本科生研究团队正尝试计算这些方案各自的优势和不足。他们将这个项目称为“磁电离宇宙飞船星际旅行防护盾”,简称MISSFIT。

“比如说,如果想通过旋转产生人工重力,那你可能会想让宇宙飞船的半径尽可能大,但半径越大,需要的磁场就越大,需要屏蔽辐射的范围就越大,”MISSFIT项目负责人彼得里迪斯说,“这其中总是有权衡的。”

MISSFIT项目旨在为物理专业本科生提供进行原创研究的宝贵经验。彼得里迪斯说:“我们尝试使它成为一个激动人心的项目,任何与太空旅行有关的事情都是激动人心的。”

旋转飞船和防辐射护盾

在火星之旅中,模仿重力条件的唯一实际方法就是让宇宙飞船旋转起来并创造向心力。理论上,你可以通过让飞船加速的方式来模拟重力,但这意味着要对火箭燃料进行节流控制,以提供重力,并在超过中点后就得“踩刹车”。考虑到燃料需求,这种方法可以说是完全不切实际。

对于利用向心力的方法,宇宙飞船的旋转半径越大——可能会采用环形结构——就越能感受到类似地球的重力。但是,这样的宇宙飞船也将更难发射,可能需要在太空中组装。与此同时,为更大的太空结构提供足够的辐射防护也将更加困难。

“如果你愿意的话,你可以用铅把整个飞船包裹起来,但它会变得很重,这完全不切实际,”德雷克大学物理专业的本科生基根·芬格说,“这就是我们研究磁护盾的原因——试图减轻重量。”

在2021年4月的美国物理学会线上会议上,基根·芬格和他的同学们讨论了这一项目的进展。彼得里迪斯说:“我们正在计算不同类型磁护盾的能量需求。还在研究磁场的不同配置,而不是标准的双偶极系统。”磁护盾的形状还可以进行调整,以更好地适应飞船上的生活区配置。

“我们还需要考虑我们需要防护的辐射级别和特定能量,”另一位参与该项目的物理学专业本科生威尔·托马斯说道。例如,物理防护盾、防护服和磁场的组合或许能最好地保护宇航员免受太空中不同类型的辐射。

为了研究模拟重力对人体的影响,该项目还将扩展至生物学专业,目标是找到一种策略组合,能够最大限度地降低深太空旅行带来的整体健康风险。

考虑到人体的复杂性(例如心血管系统的复杂生理),模拟重力的不同方法可能会有细微的差别。“例如,重力梯度和科里奥利力对血液流动有什么影响?”彼得里迪斯说,“我们可以处理数学和计算,但作为物理学家,我们不知道心血管系统是如何工作的,所以我们需要跨学科合作。在现实世界中,这些问题本身就是跨学科的。”


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