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深空探索中太空辐射的健康风险评估及其存在问题

太空辐射 辐射防护 辐射量
发布:2020-12-08 16:53:24     来源:科学通报

太空辐射是载人深空探索中威胁航天员健康的主要因素,也是制约载人深空探索发展的重要原因之一,因而一直受到美俄等载人航天大国的高度关注。

随着我国载人深空探索任务的规划与实施,确保航天员在整个任务期间的健康和安全被认为是航天医学领域的首要任务,而其中的太空辐射对航天员的健康风险评估更是被视为亟需要解决的重要问题之一 。事实上,美国国家航空与航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)已将太空辐射列为航天生物医学发展路线图的五大领域之一,并将“太空辐射缓解”(Space radiation mitigation,SRM)技术列为美国载人航天工程中八大核心技术之一。

我国在“空间科学发展战略”中也将“太空辐射损伤评估与防护技术”确定为空间科学领域中拟解决的核心关键技术之一。在主题为“空间辐射生物交叉学科研究”的香山科学会议上,来自国内外30余家科研机构和大学的50余位从事空间生命科学和辐射生物学研究的专家学者一致认为:太空辐射健康风险是各国太空研究机构和研究人员共同关心的热点问题,中国亟需在现有太空辐射生物学研究的基础上,建立自主的太空辐射风险评估体系,研发有效的太空辐射防护措施,以适应国家的重大需求。

太空辐射环境

载人航天器在飞离和返回地球时需要穿过称为范爱伦带(Van Allen belts)的地磁场捕获带。深空探索中,载人航天器脱离了地磁场的保护,主要辐射源是银河宇宙射线(Galactic cosmic rays,GCR)和太阳高能粒子(Solar energetic particles,SEP)。

地磁场捕获带(内俘获带和外俘获带)示意图

深空探索中太空辐射的主要来源

根据NASA在阿波罗(Apollo)任务中的实际太空辐射监测结果可知,探月旅途中太空辐射的有效剂量率为0.7~3.0 mSv/d。如果按照30天的任务周期计算,太空辐射的有效剂量可达21.0~90.0 mSv。这个数值约为地面上的公众在同样天数中接受的有效剂量0.2 mSv(按年平均有效剂量2.4 mSv计算)的105~450倍。而由NASA研发的“好奇号”火星探测器(Curiosity Rover)所携带的火星科学实验室(Mars science laboratory,MSL)的测量结果可知,好奇号往返火星旅途的剂量当量率约为1.84 mSv/d,火星表面的剂量当量率约为0.64 mSv/d。若按照往返火星均为180天,在火星表面停留500天计算,载人登火过程中航天员接受的GCR有效剂量将达到982.40 mSv。这个数值约为地面上的公众在同样天数中接受的有效剂量5.65 mSv的175倍左右。

不同条件下人体所接受的辐射量比较

太空辐射健康风险

载人深空探索任务中,航天员长期在轨和舱外活动使得太空辐射引起的健康风险明显增加,甚至可影响载人深空探索任务的实施。太空辐射可导致航天员组织或器官中遗传物质的损伤,如DNA双链断裂,基因突变和染色体畸变等,引起细胞失活和基因组的不稳定性,从而破坏人体骨髓、皮肤、中枢神经系统、生殖系统等组织器官或系统,引发白内障甚至癌症、白血病等疾病。

深空探索中太空辐射的健康风险

根据NASA于2009年提出的“人类空间探索任务风险降低策略”以及“空间辐射综合研究计划”,空间辐射风险主要可分为四大类,分别为辐射致癌风险、太阳粒子事件导致的急性辐射综合症风险、中枢神经系统的急/慢性辐射风险和退行性组织或其它健康效应的辐射风险。目前认为,太空辐射致癌风险是最重要的风险类型,而载人深空探索任务中航天员的太空辐射风险评估主要是预测航天员的癌症发生率和死亡率。

太空辐射风险评估及其存在的问题

利用国际辐射防护委员会等机构推荐的方法评价长期载人深空探索任务中太空辐射引起航天员的癌症风险存在很大的不确定性,且该不确定性明显大于地面辐射暴露引起癌症风险的不确定性。对于载人深空探索任务,目前空间辐射致癌风险评估的不确定性高达400%~600%。Marco Durante的研究表明,利用目前空间辐射的监测数据,如剂量和LET谱等预测航天员的早期癌症风险,其不确定性甚至可达400%~1500%。

地面和太空辐射风险评估的不确定性

太空辐射风险评估是确保执行载人深空探索任务航天员健康和安全的基础,目前尚未完全解决。通过对相关问题进行了系统地梳理和分析,认为在执行载人深空探索任务中之前,对于太空辐射风险的评估需要解决以下主要科学问题:(1)辐射品质因子的预测;(2)低剂量辐射风险模型的建立;(3)剂量和剂量率降低效应因子的预测;(4)个体辐射敏感性差异的甄别;(5)微重力等空间因素对辐射风险的影响;(6)SPE引起的急性辐射损伤的评估。

文/赵磊, 宓东, 孙野青 本文来自《科学通报》

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