無(wú)論是防曬霜還是鈣補(bǔ)充劑，都不足以為前往火星的太空旅行者提供足夠的保護(hù)，他們依然要面臨輻射和外太空失重的影響。
▲ 地球的大氣層和磁場(chǎng)可以保護(hù)我們免受有害的太空輻射，但前往火星的旅行者缺乏這樣的保護(hù)
2021 年 5 月，SpaceX 公司將其星艦 SN15 原型機(jī)發(fā)射到了與商用客機(jī)相當(dāng)?shù)难埠礁叨龋缓蟀踩?。該公司稱(chēng)，未來(lái)的火箭將能夠一次搭載 100 名乘客前往月球，甚至火星。然而，把火箭發(fā)射到火星是一回事，把乘客活著送到火星則是另一回事，確保他們能像離開(kāi)地球時(shí)一樣健康就更是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。
據(jù)估計(jì)，前往火星的旅程長(zhǎng)達(dá) 7 個(gè)月，除了攜帶足夠的燃料、氧氣、水和食物，宇宙飛船還還必須提供一些在地球上平凡無(wú)奇，但在太空中卻能保證旅行者健康的“奢侈品”。
嚴(yán)重的輻射與零重力環(huán)境
地球的大氣層和磁場(chǎng)可以保護(hù)我們免受有害的太空輻射，但前往火星的旅行者缺乏這樣的保護(hù)。因此，他們乘坐的飛船需要提供某種輻射屏蔽。
根據(jù)來(lái)源的不同，輻射可能由不同的粒子組成，能量不一，會(huì)對(duì)人類(lèi)的 DNA 造成不同程度的風(fēng)險(xiǎn)。例如，太陽(yáng)射出的高能粒子與銀河系外宇宙射線(xiàn)的輻射就非常不同。因此，宇宙飛船需要不一樣的屏蔽手段。
那么，前往火星的宇航員會(huì)受到多少輻射？這種輻射劑量是在地球上的多少倍？美國(guó)德雷克大學(xué)的物理學(xué)家阿塔納西奧斯?彼得里迪斯表示，情況很令人擔(dān)憂(yōu)。根據(jù)他的團(tuán)隊(duì)計(jì)算，往返火星期間宇航員輻射暴露的高值估計(jì)在好幾希沃特（Sv）的范圍內(nèi)。作為參考，美國(guó)核管理委員會(huì)將放射性職業(yè)工作者一年累積的輻射劑量限制 0.05Sv（即 50mSv）。
太陽(yáng)大氣層的變化也會(huì)對(duì)太空中獲得的輻射量產(chǎn)生影響。例如，大約 11 年的太陽(yáng)活動(dòng)周期會(huì)影響太陽(yáng)發(fā)出的輻射量。不過(guò)，由于太陽(yáng)產(chǎn)生的輻射與來(lái)自外太空的宇宙射線(xiàn)之間可能會(huì)有復(fù)雜的相互作用，因此可能不值得圍繞這些周期來(lái)安排發(fā)射時(shí)間。
美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）駐休斯頓的輻射分析專(zhuān)家克里?李說(shuō)：“輻射暴露受到相當(dāng)多因素的影響，試圖圍繞太陽(yáng)活動(dòng)周期制定計(jì)劃就像試圖把握股市的買(mǎi)賣(mài)時(shí)間，通常會(huì)以虧損告終?！?/p>
如果時(shí)間足夠長(zhǎng)，失重也會(huì)對(duì)人體造成嚴(yán)重?fù)p傷。據(jù)研究證實(shí)，太空站宇航員的承重骨骼中每個(gè)月都會(huì)損失 1% 到 1.5% 的礦物質(zhì)密度。他們的肌肉量往往也會(huì)減少，即使他們所做的運(yùn)動(dòng)與在地球上一樣多。
“太空飛行存在很多風(fēng)險(xiǎn)，但我不認(rèn)為這是火星任務(wù)的絆腳石，”克里?李說(shuō)，“（NASA）已經(jīng)有幾名宇航員在太空中執(zhí)行了將近一年的任務(wù)。此外，有證據(jù)表明相應(yīng)的對(duì)策可以減緩和阻止在太空中肌肉量和骨密度的損失?！?/p>
對(duì)于輻射防護(hù)與人工重力，目前已經(jīng)有了幾種工程解決方案。德雷克大學(xué)的一個(gè)本科生研究團(tuán)隊(duì)正嘗試計(jì)算這些方案各自的優(yōu)勢(shì)和不足。他們將這個(gè)項(xiàng)目稱(chēng)為“磁電離宇宙飛船星際旅行防護(hù)盾”，簡(jiǎn)稱(chēng) MISSFIT。
“比如說(shuō)，如果想通過(guò)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生人工重力，那你可能會(huì)想讓宇宙飛船的半徑盡可能大，但半徑越大，需要的磁場(chǎng)就越大，需要屏蔽輻射的范圍就越大，”MISSFIT 項(xiàng)目負(fù)責(zé)人彼得里迪斯說(shuō)，“這其中總是有權(quán)衡的?！?/p>
MISSFIT 項(xiàng)目旨在為物理專(zhuān)業(yè)本科生提供進(jìn)行原創(chuàng)研究的寶貴經(jīng)驗(yàn)。彼得里迪斯說(shuō)：“我們嘗試使它成為一個(gè)激動(dòng)人心的項(xiàng)目，任何與太空旅行有關(guān)的事情都是激動(dòng)人心的?！?/p>
旋轉(zhuǎn)飛船和防輻射護(hù)盾
在火星之旅中，模仿重力條件的唯一實(shí)際方法就是讓宇宙飛船旋轉(zhuǎn)起來(lái)并創(chuàng)造向心力。理論上，你可以通過(guò)讓飛船加速的方式來(lái)模擬重力，但這意味著要對(duì)火箭燃料進(jìn)行節(jié)流控制，以提供重力，并在超過(guò)中點(diǎn)后就得“踩剎車(chē)”。考慮到燃料需求，這種方法可以說(shuō)是完全不切實(shí)際。
對(duì)于利用向心力的方法，宇宙飛船的旋轉(zhuǎn)半徑越大 —— 可能會(huì)采用環(huán)形結(jié)構(gòu) —— 就越能感受到類(lèi)似地球的重力。但是，這樣的宇宙飛船也將更難發(fā)射，可能需要在太空中組裝。與此同時(shí)，為更大的太空結(jié)構(gòu)提供足夠的輻射防護(hù)也將更加困難。
“如果你愿意的話(huà)，你可以用鉛把整個(gè)飛船包裹起來(lái)，但它會(huì)變得很重，這完全不切實(shí)際，”德雷克大學(xué)物理專(zhuān)業(yè)的本科生基根?芬格說(shuō)，“這就是我們研究磁護(hù)盾的原因 —— 試圖減輕重量。”
在 2021 年 4 月的美國(guó)物理學(xué)會(huì)線(xiàn)上會(huì)議上，基根?芬格和他的同學(xué)們討論了這一項(xiàng)目的進(jìn)展。彼得里迪斯說(shuō)：“我們正在計(jì)算不同類(lèi)型磁護(hù)盾的能量需求。還在研究磁場(chǎng)的不同配置，而不是標(biāo)準(zhǔn)的雙偶極系統(tǒng)?！贝抛o(hù)盾的形狀還可以進(jìn)行調(diào)整，以更好地適應(yīng)飛船上的生活區(qū)配置。
“我們還需要考慮我們需要防護(hù)的輻射級(jí)別和特定能量，”另一位參與該項(xiàng)目的物理學(xué)專(zhuān)業(yè)本科生威爾?托馬斯說(shuō)道。例如，物理防護(hù)盾、防護(hù)服和磁場(chǎng)的組合或許能最好地保護(hù)宇航員免受太空中不同類(lèi)型的輻射。
為了研究模擬重力對(duì)人體的影響，該項(xiàng)目還將擴(kuò)展至生物學(xué)專(zhuān)業(yè)，目標(biāo)是找到一種策略組合，能夠最大限度地降低深太空旅行帶來(lái)的整體健康風(fēng)險(xiǎn)。
考慮到人體的復(fù)雜性（例如心血管系統(tǒng)的復(fù)雜生理），模擬重力的不同方法可能會(huì)有細(xì)微的差別?！袄?，重力梯度和科里奧利力對(duì)血液流動(dòng)有什么影響？”彼得里迪斯說(shuō)，“我們可以處理數(shù)學(xué)和計(jì)算，但作為物理學(xué)家，我們不知道心血管系統(tǒng)是如何工作的，所以我們需要跨學(xué)科合作。在現(xiàn)實(shí)世界中，這些問(wèn)題本身就是跨學(xué)科的?！?/p>
廣告聲明：文內(nèi)含有的對(duì)外跳轉(zhuǎn)鏈接（包括不限于超鏈接、二維碼、口令等形式），用于傳遞更多信息，節(jié)省甄選時(shí)間，結(jié)果僅供參考，IT之家所有文章均包含本聲明。