地球的大氣層和磁場可以保護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

　　無論是防曬霜還是鈣補充劑，都不足以為前往火星的太空旅行者提供足夠的保護，他們依然要面臨輻射和外太空失重的影響。

　　2021年5月，SpaceX公司將其星艦SN15原型機發(fā)射到了與商用客機相當?shù)难埠礁叨?，然后安全著陸。該公司稱，未來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，確保他們能像離開地球時一樣健康就更是一項艱巨的挑戰(zhàn)。

　　據(jù)估計，前往火星的旅程長達7個月，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奇，但在太空中卻能保證旅行者健康的“奢侈品”。

　　嚴重的輻射與零重力環(huán)境

　　地球的大氣層和磁場可以保護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。因此，他們乘坐的飛船需要提供某種輻射屏蔽。

　　根據(jù)來源的不同，輻射可能由不同的粒子組成，能量不一，會對人類的DNA造成不同程度的風險。例如，太陽射出的高能粒子與銀河系外宇宙射線的輻射就非常不同。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受到多少輻射？這種輻射劑量是在地球上的多少倍？美國德雷克大學的物理學家阿塔納西奧斯·彼得里迪斯表示，情況很令人擔憂。根據(jù)他的團隊計算，往返火星期間宇航員輻射暴露的高值估計在好幾希沃特（Sv）的范圍內(nèi)。作為參考，美國核管理委員會將放射性職業(yè)工作者一年累積的輻射劑量限制0.05Sv（即50mSv）。

　　太陽大氣層的變化也會對太空中獲得的輻射量產(chǎn)生影響。例如，大約11年的太陽活動周期會影響太陽發(fā)出的輻射量。不過，由于太陽產(chǎn)生的輻射與來自外太空的宇宙射線之間可能會有復雜的相互作用，因此可能不值得圍繞這些周期來安排發(fā)射時間。

　　美國國家航空航天局（NASA）駐休斯頓的輻射分析專家克里·李說：“輻射暴露受到相當多因素的影響，試圖圍繞太陽活動周期制定計劃就像試圖把握股市的買賣時間，通常會以虧損告終?！?/p>

　　如果時間足夠長，失重也會對人體造成嚴重損傷。據(jù)研究證實，太空站宇航員的承重骨骼中每個月都會損失1%到1.5%的礦物質(zhì)密度。他們的肌肉量往往也會減少，即使他們所做的運動與在地球上一樣多。

　　“太空飛行存在很多風險，但我不認為這是火星任務(wù)的絆腳石，”克里·李說，“（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)的對策可以減緩和阻止在太空中肌肉量和骨密度的損失。”

　　對于輻射防護與人工重力，目前已經(jīng)有了幾種工程解決方案。德雷克大學的一個本科生研究團隊正嘗試計算這些方案各自的優(yōu)勢和不足。他們將這個項目稱為“磁電離宇宙飛船星際旅行防護盾”，簡稱MISSFIT。

　　“比如說，如果想通過旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生人工重力，那你可能會想讓宇宙飛船的半徑盡可能大，但半徑越大，需要的磁場就越大，需要屏蔽輻射的范圍就越大，”MISSFIT項目負責人彼得里迪斯說，“這其中總是有權(quán)衡的?！?/p>

　　MISSFIT項目旨在為物理專業(yè)本科生提供進行原創(chuàng)研究的寶貴經(jīng)驗。彼得里迪斯說：“我們嘗試使它成為一個激動人心的項目，任何與太空旅行有關(guān)的事情都是激動人心的?！?/p>

　　旋轉(zhuǎn)飛船和防輻射護盾

　　在火星之旅中，模仿重力條件的唯一實際方法就是讓宇宙飛船旋轉(zhuǎn)起來并創(chuàng)造向心力。理論上，你可以通過讓飛船加速的方式來模擬重力，但這意味著要對火箭燃料進行節(jié)流控制，以提供重力，并在超過中點后就得“踩剎車”?？紤]到燃料需求，這種方法可以說是完全不切實際。

　　對于利用向心力的方法，宇宙飛船的旋轉(zhuǎn)半徑越大——可能會采用環(huán)形結(jié)構(gòu)——就越能感受到類似地球的重力。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，為更大的太空結(jié)構(gòu)提供足夠的輻射防護也將更加困難。

　　“如果你愿意的話，你可以用鉛把整個飛船包裹起來，但它會變得很重，這完全不切實際，”德雷克大學物理專業(yè)的本科生基根·芬格說，“這就是我們研究磁護盾的原因——試圖減輕重量?！?/p>

　　在2021年4月的美國物理學會線上會議上，基根·芬格和他的同學們討論了這一項目的進展。彼得里迪斯說：“我們正在計算不同類型磁護盾的能量需求。還在研究磁場的不同配置，而不是標準的雙偶極系統(tǒng)。”磁護盾的形狀還可以進行調(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的輻射級別和特定能量，”另一位參與該項目的物理學專業(yè)本科生威爾·托馬斯說道。例如，物理防護盾、防護服和磁場的組合或許能最好地保護宇航員免受太空中不同類型的輻射。

　　為了研究模擬重力對人體的影響，該項目還將擴展至生物學專業(yè)，目標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的整體健康風險。

　　考慮到人體的復雜性（例如心血管系統(tǒng)的復雜生理），模擬重力的不同方法可能會有細微的差別?！袄纾亓μ荻群涂评飱W利力對血液流動有什么影響？”彼得里迪斯說，“我們可以處理數(shù)學和計算，但作為物理學家，我們不知道心血管系統(tǒng)是如何工作的，所以我們需要跨學科合作。在現(xiàn)實世界中，這些問題本身就是跨學科的?！?/p>

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