人類要想飛出地球,前往月球和火星,并建立基地,需要解決諸多問題,而航天員所面臨的首要問題之一是如何抵御太空輻射。
太空輻射知多少
太空輻射是一種包含伽瑪射線、高能質(zhì)子和宇宙射線的特殊混合體。至今,人類的航天員基本上從未經(jīng)歷過完全劑量的太空輻射。即使是常年運轉(zhuǎn)的國際空間站,由于它的軌道也僅僅只在地球上空的400千米處。而我們的地球球體通過低層大氣的折射,在宇宙射線到達國際空間站之前已經(jīng)攔截掉了其中最具危險的三分之一粒子,還有三分之一則被地球磁場給反射掉了。僅僅只有很少部分的宇宙射線打到了人體的身上。所以,太空輻射的實際危險遠不是我們實驗室里能估計得到的情況。
飛往月球的阿波羅號上的航天員所受到的宇宙射線輻射劑量比空間站中的航天員多2倍,雖然整個空間穿梭行程只有數(shù)天,但已經(jīng)讓他們的眼睛受到了巨大的傷害,多年后,這些航天員都患上了白內(nèi)障。阿波羅號上的航天員至今仍然記得,在飛向月球的路上,他們甚至一路看見宇宙射線像火花一樣在他們的視網(wǎng)膜上閃耀。幸好除此之外他們似乎沒有受到其它傷害。
比起月球來,火星離我們地球遙遠得多,因此航天員的旅行時間將會長達一年以上。如此長時間暴露在“銀河系宇宙射線”中,目前,沒有哪一個科學(xué)研究小組能夠估計出可能的危險后果。
在地球上,每個人每年平均接受的輻射量約為350毫雷姆。與之形成對比的是,乘坐阿波羅14號飛船登月的航天員在9天的任務(wù)中受到了1140毫雷姆的輻射,相當(dāng)于地球上一個人3年中接受輻射量的總和。天空實驗室上的航天員在低地軌道停留了80多天,他們每人受到的輻射量約為17800毫雷姆,等于在地球上呆50年。根據(jù)布魯克海文國家實驗室的計算,目前,一個航天員進行從地球到火星的往返旅行可能需要2年半的時間,在此期間,他受到的輻射將達到130000毫雷姆,相當(dāng)于他在地球上毫無防護的生活400年所受到的輻射的總和。
到離地球較遠的深空飛行,宇宙射線微粒會“飛”過人體,從而可能損害其脫氧核糖核酸(DNA),使細胞變異,并且顯然可以在動物體內(nèi)致癌,還可以導(dǎo)致白內(nèi)障和不育癥。此外科學(xué)家們很關(guān)心這種輻射對大腦的影響,長期暴露在宇宙射線中可以引起神經(jīng)原破壞,從而可能損害記憶和影響思維過程。
月球輻射防護屏
最近,美國航宇局正在投資研制一種月球輻射防護屏,它由大大小小的帶電防護球組成。研究人員正試圖尋求最好方法,來排列這些不同尺寸的球體,使之產(chǎn)生一個電場,抵制高能質(zhì)子和電子。
當(dāng)前的設(shè)計思路是,帶有弱的負電荷的球體分布在防護屏外部區(qū)域以過濾電子,而帶有強的正電荷的球體置于防護屏中心,以使高能質(zhì)子偏離。
但是其挑戰(zhàn)在于,把大量球體排列起來,使其構(gòu)成一個足夠強大的綜合電場,雖然使太空輻射偏離,但不足以剝離月球基地建筑或周圍物質(zhì)的電子。因此,這些球體必須位于40米高的桿子上。
為了使這種月球靜電場效力最佳化,研究人員預(yù)想了一個輻射防護的分層途徑。負的靜電場和正的靜電場交互排列,防止球體表面吸附月球灰塵而阻礙正常工作。也可能選擇月球上的物質(zhì),作為次級防護屏,最有可能的方法是使用土或沙建造成圓形建筑。因為在此之前,研究人員就已確信月球或火星表面土壤可以防御太空輻射�，F(xiàn)在正在研究怎樣開采泥土,并用什么聚合物來把這些泥土結(jié)合。
承擔(dān)此項研究的是美國航宇局下屬的太空輻射實驗室,該實驗室通過粒子加速器來模擬宇宙射線。研究人員用加速器中產(chǎn)生的高能粒子束來照射哺乳動物的細胞和組織,然后觀察這些動物所受的傷害。一旦所有的危險都已查明,美國航宇局的專家們就能決定究竟應(yīng)該造什么樣的太空飛船飛往月球和火星。
把飛船“武裝”起來
除了在月球基地上建立靜電防護屏外,在飛行中的飛船上也可以裝上多級靜電輻射屏,它由3個充滿電荷的球組成,這些球分布在一條直線上。中間一個帶正電荷的球接近甚至附著在飛船乘員艙的外部,另外2個帶負電荷的球則分布在飛船的兩邊,并遠離飛船。這樣足夠抵御接近飛船的高能質(zhì)子和電子。目前的關(guān)鍵是要解決能量供應(yīng),因為這種靜電防護屏需要大量的電荷。
然而,這種方法不能應(yīng)用于火星。因為在火星上靜電場最終會通過大氣產(chǎn)生電流,并形成電弧,從而損壞靜電輻射屏。
另一種“武裝”飛船的辦法是利用飛船攜帶的低溫流體,把裝有這些低溫流體的罐子排列在乘員艙的四周。在絕大多數(shù)太空探索飛行中,飛船必須攜帶液氫作燃料,還需要帶大量的水。這些物質(zhì)對抵御宇宙射線的侵襲是非常有效的。
液氫原子能有效屏蔽銀河宇宙射線,因為當(dāng)它們受到高能輻射襲擊時,不會分裂成次級粒子,因為次級粒子與太空輻射本身一樣有害。對水進行的輻射試驗也表明,水能“驅(qū)散”輻射。
目前,把低溫流體作為輻射防護屏的方法還面臨一些挑戰(zhàn),比如,怎樣對大量的低溫液體進行安全處理。
塑料制成“宇宙金盾”
塑料是一種富含氫元素的物質(zhì),而氫元素對宇宙射線具有良好的吸收與散射性能,例如,我們常用來制造垃圾袋的聚乙烯塑料,甚至比金屬鋁還能多吸收20%的宇宙射線,所以聚乙烯成為當(dāng)前制作輻射防護產(chǎn)品的熱門材料。
馬歇爾航天飛行中心制造的一種超強聚乙烯材料比鋁還要硬10倍,并且質(zhì)量也要輕許多,只是造價非常昂貴,如果足夠便宜,它將成為新一代宇宙飛船的制造材料,特別是將會用它來“包裹”航天員的生活區(qū)域。實際上,國際空間站的航天員休息艙已經(jīng)在使用這種材料。
聚乙烯的另一功能是能夠防止微隕星的撞擊,為此用聚乙烯制成專門的“磚塊”,其制作工藝與制作攻擊直升機的防彈裝甲板相類似。為了制作這樣的“鎧甲”,由200～300層互相疊放在一起的聚乙烯薄膜制成的“裝甲磚塊”要在氮氣中經(jīng)受熱沖壓,熱沖壓時溫度約為80℃,壓力為7kg/cm2。
草莓的神奇功效
如果人在火星上行走,航天服必須具有屏蔽輻射的功能,同時還必須抵擋得住火星沙塵暴的攻擊。美國航宇局的研究人員正在研制這種未來太空探索所需的艙外活動航天服,這種航天服約有21kg重,由12層組成,它的最外層不會與火星沙塵暴中的靜電塵埃發(fā)生作用。
而航天員自身也要提高免疫力,美國太空輻射實驗室的科學(xué)家們已經(jīng)研究證明,食用普通草莓能夠幫助航天員在太空長期作業(yè)時免遭宇宙射線的輻射,特別是輻射所引起的神經(jīng)系統(tǒng)的破壞。科學(xué)家們在實驗室里模擬了太空輻射環(huán)境,同時給接受實驗的小老鼠食品中每天加入凍草莓,經(jīng)過一段時間的仔細觀察后科學(xué)家們發(fā)現(xiàn),食用了凍草莓的小老鼠大腦活動得到了明顯的增強。
盡管目前科學(xué)家們已經(jīng)證實草莓具有抵抗輻射的特性,然而他們對草莓為何具有這樣的特性卻不是十分清楚�？茖W(xué)家們表示,如果有朝一日他們能夠揭開草莓所含的這種神奇成份之謎,他們將會立即對其進行人工合成并制成片劑提供給長期從事太空研究的航天員。
“納米膠囊”修復(fù)細胞
如果采用種種防護辦法仍不能完全擋住太空輻射的話,還有一種補救措施:用“納米膠囊”(或稱“納米微粒”)修復(fù)受損細胞。科學(xué)家正在開發(fā)這種膠囊,它能進入人體內(nèi)的一個個單獨的細胞,并將其修復(fù),如果細胞的損害過于嚴重,就干脆殺死這些細胞。
這種膠囊的長度僅有幾百納米(1納米等于十億分之一米),比細菌小得多,甚至比可見光的波長還要短。用一只皮下注射針頭進行的簡單注射能把成千乃至上百萬的膠囊注入人體血流中。一旦進入血流,納米微粒能有效地找到被輻射損壞的細胞。它們會進入受損細胞并釋放DNA修復(fù)酶,以修理細胞,使其恢復(fù)正常功能。如果輻射造成的損傷很嚴重,納米微粒就會使細胞自動破壞DNA序列,從而殺死細胞。
用納米微粒完成生物傳感和藥物輸運工作是一種激進的新方法,要在多年以后才能變得成熟可靠。而一旦成功,它將是一個質(zhì)的飛躍。
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