火星表面的最佳辐射屏蔽是什么?

火星正在呼唤我们。 至少,这是人们在研究未来十年所有计划和提议的红色星球任务时得到的印象。 由于目前有如此多的航天机构向那里发送任务以描述其环境、大气和地质历史,载人任务似乎指日可待。 事实上,美国宇航局和中国都明确表示,他们打算在 2030 年代初向火星发射任务,最终将创造地表栖息地。

为了确保宇航员在运输途中和火星表面的健康和安全,科学家们正在研究几种辐射防护方法。 在一个 最近的研究一个团队来自 蓝色大理石太空科学研究所 (BMSIS) 研究了怎样使用各种材料制作防辐射结构。 这包括从地球带来的材料以及可以直接从火星环境中收获的材料。 这符合 就地资源利用 (ISRU)流程,利用当地资源来满足宇航员机组人员和任务的需求。

火星周围电磁流的科学可视化。 图片来源:NASA/Goddard/MAVEN/CU Boulder/SVS/Cindy Starr

该研究由 BMSIS 访问学者、希腊帕特雷大学物理学专业毕业生 Dionysios Gakis 领导。 BMISIS 的高级研究研究员、纽约大学阿布扎比空间科学中心的物理学教授和 Gakis 的学术顾问 Dimitra Atri 博士加入了他的行列。 描述他们的发现的论文(“模拟辐射屏蔽材料在火星上保护宇航员的有效性“)正在考虑由 Acta Astronautica 出版。


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由于大气层稀薄且缺乏行星磁场,火星辐射环境比地球危险得多。 在地球上,发达国家的人们平均暴露于 每年 0.62 拉德 (6.2 mSv),而火星表面每年接收约 24.45 拉德(244.5 毫希)——当太阳事件(又名太阳耀斑)发生时甚至更多。 正如 Atri 博士通过电子邮件告诉《今日宇宙》,这种辐射有多种形式:

“银河宇宙射线由带电粒子组成,其能量是可见光的十亿(或更多)倍。 它们可以穿透屏蔽层,对人体造成无法弥补的伤害。 此外,太阳风暴有时可以将带电粒子加速到非常高的能量(太阳高能粒子),这可能会造成类似的损害。 来自宇宙射线的辐射量是高度可预测的,而太阳风暴则很难预测。”

在他们的研究中,Gakis 和 Atri 博士研究了可以运输到火星或就地收获的各种屏蔽材料的特性。 这些材料包括航空工业中常见的材料——如铝、聚乙烯、环己烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酯薄膜和凯夫拉尔——以及水、碳纤维液态氢和火星风化层。 正如 Gakis 解释的那样,他们使用 GEANT4 数值模型 – 一个软件套件,使用统计模拟粒子通过物质的通道 蒙特卡洛 方法。

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火星冰屋概念。 图片来源:NASA Langley/Clouds Architecture Office/搜索+

“我们建立了一个火星的计算模型,并测量了一个假设的人体模型(代表一名宇航员)内的宇宙能量沉积,”他说。 “在到达宇航员之前,设置了一层材料屏蔽来吸收部分辐射。 就辐射防护而言,最有效的材料是那些让最少的能量通过宇航员身体的材料。”

他们的结果表明,富含氢的材料(即水冰)对 GCR 具有可预测的响应,因此是抵御宇宙射线的最佳方法。 他们进一步发现,风化层具有中等响应,因此可用于额外的屏蔽——尤其是与铝结合时。 加基斯说:

“为了 example,虽然没有发现铝与其他材料一样有效,但它仍然有助于降低辐射剂量,我们提倡将其与其他材料结合使用。 火星风化层具有类似的行为,并且具有作为原位材料的优势,不需要我们从地球上携带。”

NASA 和其他航天机构正在评估几种设计、材料和技术,这些设计、材料和技术将允许在月球、火星和其他地方创造栖息地。 特别是,美国国家航空航天局和中国国家航天局 (CNSA) 正计划在未来十年内执行载人火星任务,该任务将每 26 个月发射一次(从 2033 年开始),并最终在火星表面创造栖息地。 根据 Gakis 和 Atri 博士的分析,这些栖息地很可能由一个内部结构组成,该结构使用从地球以低成本运输的轻质材料制成。

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Marsha 概念是一项关于火星表面栖息地的提议,该栖息地使用当地和任务生成的材料自主建造。 信用:美国国家航空航天局/人工智能。 太空工厂

在铝和碳纤维的情况下,它们可以使用从火星岩石中开采的铝和从其大气中收集的碳就地生产。 然后可以使用当地采集的水冰和风化层来屏蔽这些,机器人将进行 3D 打印以创建保护性上层建筑。 这样的栖息地将使远在地球之外的长期任务成为可能,甚至可能成为人类在太空中永久定居的垫脚石。

“辐射是人类必须解决的众多问题之一,以成功实现人类 [exploration of] 红色星球,”Gakis 总结道。 “我们相信,我们的研究是了解宇宙射线在火星环境中的破坏性影响以及为未来的载人火星任务规划有效的缓解策略的又一步。”

延伸阅读: arXiv