美国宇航局正在努力保护宇航员免受火星的太空辐射

在1976年6月的Viking 1 Orbiter拍摄的这张图像中，火星上面的半透明层是它的大气。与地球的大气相比，薄的火星氛围是一种不那么强大的盾牌，对阵快速移动，精力充沛的颗粒，从各个方向嬉戏 - 这意味着火星上的宇航员将需要保护这种苛刻的辐射环境。学分：NASA / Viking 1

美国宇航局正在致力于20世纪30年代的实际旅行的技术。

1972年8月7日，在阿波罗时代的中心地带，一个巨大的太阳耀斑爆炸着阳光的氛围。随着几乎所有波长的巨大光爆发，该事件加速了一股能量粒子。主要是质子，具有少量电子和更重的元素，这种快速移动的颗粒对地球保护磁泡的任何人都对任何人都危险。幸运的是，阿波罗16船员早些时候又回到了地球，狭隘地逃脱了这一强大的事件。

在人类太空飞行的早期，科学家们只是刚刚开始了解太阳的事件如何影响空间，并且轮到那么辐射如何影响人类和技术。今天，由于广泛的空间辐射研究，我们对我们的空间环境，其效果和保护宇航员的最佳方式有更好的了解 - 美国宇航局将人类送到火星的所有关键部分。

“火星”电影突出了可能在往返火星的辐射危险。虽然这部电影的使命是虚构的，但美国宇航局已经开始研究该技术，以便在20世纪30年代进行火星的实际旅行。在电影中，宇航员的栖息地在火星上避开了辐射，实际上，辐射屏蔽将是航行的重要技术。从更好的屏蔽到先进的生物医学对策，NASA目前研究如何保护宇航员和电子产品免受辐射保护 - 必须将其纳入火星任务规划的各个方面，从航天器和栖息地设计到太空行走协议。

“空间辐射环境将对宇航员日常生活中的一切的批判性考虑，这都是在地球和火星之间的旅程和地面，”NASA的戈达德空间人类航天计划的建筑师和工程师伦丹刘易斯（Ruthan Lewis）说飞行中心在马里兰州格林贝尔特。“你经常被一些辐射轰炸。”

在最基本的情况下，辐射仅仅是波浪或亚原子颗粒，可以向另一个实体运输能量 - 无论是宇航员还是航天器组分。空间的主要问题是粒子辐射。精力充沛的颗粒对人类来说可能是危险的，因为它们通过皮肤直接通过皮肤，沿途沉积能量和破坏细胞或DNA。这种损害可能意味着在使命期间的癌症后面的癌症风险增加，如果能量颗粒的剂量足够大，则在使命中最糟糕的急剧放射性疾病。

这台计算机仿真基于来自美国宇航局的火星氛围和挥发性演化的数据，或Maven，航天器，展示了流风暴与火星的上层大气的互动。Maven正在收集有关火星信息的空间环境信息，这将是在20世纪30年代规划人类使命的MARS的关键。学分：X. Fang，科罗拉多大学和Maven Science团队

幸运的是，地球的自然保护阻止了这些颗粒的所有优势到达表面。一种巨大的磁气泡，称为磁影，偏离了绝大多数这些颗粒，保护我们的星球。我们的气氛随后吸收大部分颗粒，这些颗粒通过这种泡沫使其变得如此。重要的是，由于国际空间站（ISS）在磁性层内的低地轨道中，它还为我们的宇航员提供了大量保护。

“我们拥有衡量国际贷款内部辐射环境的工具，休斯顿的科学家科学家Kerry Lee说，船员甚至在车站以外。

该ISS组监测还包括跟踪每个宇航员的短期和终身辐射剂量，以评估辐射相关疾病的风险。虽然美国宇航局的辐射限制大于地球上允许的辐射工人，但宇航员在地球磁层内生活和工作时，宇航员能够在NASA的限制下保持良好。

但是，到火星的旅程需要宇航员进一步搬家，超越了地球的磁泡。

“火星上有很多好科学，但是到行星空间的旅行比在低地轨道上工作的辐射风险，”戈达德的空间辐射工程师Jonathan Pellish说。

对于火星的人类使命意味着将宇航员送入星际空间至少一年，即使在红色的星球上很短暂停留。几乎所有的时间，它们都将在磁圈外面，暴露于苛刻的空间辐射环境。火星没有全球磁场来偏转能量粒子，而且其大气层比地球更薄，因此即使在火星的表面上也会得到最小的保护。

在整个旅行中，必须保护宇航员免受两个辐射源的保护。第一个来自阳光，定期释放出源极太阳颗粒，以及在巨型爆炸之后，偶尔的巨大爆炸，如太阳耀斑和冠状大量喷射，在阳光下。这些能量粒子几乎都是质子，虽然太阳释放了一个不可思议的大量，但质子能量足够低，使得它们几乎可以通过航天器的结构物理屏蔽。

由于太阳能活动强烈贡献了深度空间辐射环境，因此更好地了解太阳的这种辐射环境的调制将使特派团规划者为未来火星使命做出更好的决策。美国国家航空航天局目前经营着一支航天器，在整个太阳系中研究太阳和空间环境。从这个研究领域的观察结果，称为Heliophysics，帮助我们更好地了解太阳爆发的起源以及这些事件对整体空间辐射环境的影响。

“如果我们准确地了解发生了什么，我们不必作为我们的估计保守，这在规划使命时使我们能够更大，”Pellish说。

电力粒子的第二个源难以屏蔽。这些粒子来自银河系宇宙射线，通常称为GCR。它们是颗粒加速到接近射入我们的银河系中的其他星星的光线速度附近的光速。像太阳粒子一样，银河系宇宙射线大多是质子。然而，其中一些元素是较重的元素，从氦气到最重的元素。这些更精力的颗粒可以敲击它们的材料中的原子，例如宇航员，航天器，栖息地或载体的金属壁，导致亚原子颗粒淋浴到结构中。如已知的，这种二次辐射可以达到危险的水平。

有两种方法可以保护这些更高能量的颗粒和它们的二次辐射：使用更多的传统航天器材料，或使用更有效的屏蔽材料。

在它们到达宇航员之前，围绕结构围绕结构的材料的纯粹体积将吸收能量粒子及其相关的二级粒子辐射。然而，使用纯粹的批量来保护宇航员将是过于昂贵的，因为更多的质量意味着推出更多的燃料。

使用更有效地屏蔽的材料将减轻重量和成本，但找到合适的材料采取研究和聪明。美国宇航局目前正在调查少数可能性，这些可能性可以用于宇宙飞船到太空诉讼的火星栖息地。

“停止粒子辐射的最佳方法是通过将能量粒子运行到类似的尺寸的东西中，”Pellish说。“否则，它可能就像你在拖拉机拖车上弹跳三轮车。”

因为质子和中子的尺寸相似，因此一个元素阻断了极其良好的氢气，这是最常见的，这通常是仅仅是单个质子和电子。方便地，氢是宇宙中最丰富的元素，并构成了一些常见化合物的大部分部分，例如水和塑料等聚乙烯。工程师可以通过将宇航员的垃圾加工成塑料填充瓷砖来利用已经要求的质量，用于升高辐射保护。船员已经要求的水可以战略地存储，以在航天器或栖息地中创造一种辐射风暴避难所。然而，这种策略具有一些挑战 - 机组人员需要使用水，然后从先进的寿命支持系统中用回收水更换。

聚乙烯，相同的塑料常见于水瓶和杂货袋，也具有作为辐射屏蔽的候选者。它的氢气非常高，产生相当便宜的生产 - 然而，它不够强大，以建立大型结构，特别是航天器，在发射期间经过高热和强力。并将聚乙烯加入金属结构将增加相当多的质量，这意味着发射需要更多的燃料。

“我们在减少和屏蔽这些能量粒子方面取得了进展，但我们仍在努力寻找一个良好的盾牌的材料，可以充当航天器的主要结构，”ISILA Thibeault（一位材料研究员）说美国宇航局在弗吉尼亚州汉普顿的兰利研究中心。

美国宇航局发展中的一种材料有可能做两个工作：被称为氢化的BNNT的氢化氮化硼纳米管 - 是由碳，硼和氮成的微小的纳米管，氢气穿插在管之间的整个空隙中。硼也是一种优异的吸收二级中子，使氢化的BNNTS是理想的屏蔽材料。

“这种材料真的很强烈 - 即使在高热的情况下也是如此，这对于结构非常重要，”Thibeault说。

值得注意的是，研究人员已经成功地将纱线从BNNT中脱颖而出，因此它足够灵活地编织到空间套装的面料中，即使在苛刻的火星地面上正在进行过境或出厂时，也提供了具有显着辐射保护的宇航员。虽然氢化的BNNTS仍在开发和测试中，但它们有可能成为我们在航天器，栖息地，车辆和空间套装中的关键结构和屏蔽材料之一，这些材料将在火星上使用。

物理屏蔽不是阻止粒子辐射到达宇航员的唯一选择：科学家们还探讨了建筑力领域的可能性。力领域不仅仅是科幻小说的领域：就像地球的磁场一样，从精力充沛的粒子保护我们，一个相对较小的局部电动场或磁场会 - 如果足够强大，并且在正确的配置中 - 在航天器或栖息地周围创造一个保护泡。目前，这些领域将采用禁止量的功率和结构材料，以便大规模创建，因此他们需要更多的工作来获得可行的。

健康效果的风险也可以减少运营方式，例如拥有宇宙飞船或火星栖息地的特殊区域，可能是辐射风暴避难所;准备太空行走和研究方案，以最大限度地减少更加屏蔽的航天器或栖息地的时间;并确保宇航员可以在辐射风暴中迅速返回室内。

辐射风险缓解也可以从人体水平接近。虽然远离辐射曝光的一些或全部健康影响的药物将使安全旅程更容易地抵消火星和背部。

“最终，辐射的解决方案必须是事情的组合，”Pellish说。“一些解决方案是我们已经有的技术，比如富含氢的材料，但其中一些必然是我们甚至没有想到的尖端概念。”