登陸火星一直是人類的夢想,無數(shù)科學家、工程技術(shù)人員正在默默耕耘、積極探索,為實現(xiàn)這個偉大夢想而不懈努力。但是,通往火星的道路并不平坦,其艱巨程度遠遠超出人們的想象。因為這意味著不僅需要投入巨額資金,突破大量關(guān)鍵技術(shù),研制出可靠的火箭和飛船,還要保證火星航天員的安全和健康。
前往火星的發(fā)射窗口,大約每兩年才有一次。從地球出發(fā)到達火星,單程需要半年的時間,從火星返回地球也需要半年左右的時間,因此航天員執(zhí)行一次火星任務(wù)至少需要三年時間。
三年多的火星任務(wù)中,航天員需要消耗大量的食物、氧氣和飲用水。如果乘組為6名航天員,每人每天消耗0.9千克氧氣、0.6千克食品和2.5千克水,如此一來,僅此三項三年時間總消耗量就達26 280千克。因此,火星飛船必須采用再生式生命保障系統(tǒng),對水和氧氣進行再生和循環(huán),甚至應(yīng)通過受控生態(tài)系統(tǒng),實現(xiàn)食物的在軌生產(chǎn)。此外,前往火星,運載火箭必須要有足夠推力,飛船等設(shè)備具有高可靠性、易于維修,以保證飛行過程中一旦出現(xiàn)故障,航天員能對乘坐的飛船進行維修。
登陸火星過程中,航天員會遇到上述的諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。然而,最大的挑戰(zhàn)還是如何保證航天員的安全和健康。前往火星的漫漫旅途中,航天員會長期處于失重狀態(tài),這種狀態(tài)會使航天員產(chǎn)生肌肉萎縮、骨鈣丟失、立位耐力降低等問題,影響航天員的健康。狹小的生存環(huán)境,也會給航天員的心理帶來嚴峻考驗。人類經(jīng)過40多年的載人航天實踐,特別是通過對“和平”號空間站和國際空間站的使用,摸索出多種行之有效的對抗措施,航天員最長的單次太空停留時間已達438天,為前往火星所須面對的挑戰(zhàn)積累了豐富的經(jīng)驗。
我們知道,在地球低軌道如國際空間站進行載人航天飛行時,輻射對航天員的健康影響不大。這是因為地球周圍存在一個磁場,能夠俘獲大部分宇宙射線,對航天員的健康起到很好的保護作用。只有當發(fā)生太陽質(zhì)子事件時,才需要對航天員進行特別輻射防護。但是,如果航天員離開地球前往火星,地球磁場的保護作用鞭長莫及,宇宙射線的輻射就會對航天員的身體健康帶來巨大威脅。而關(guān)于長期輻射對人體的影響、相應(yīng)的對抗措施,人類還沒有多少經(jīng)驗。因此,在火星旅行過程中,航天員健康的最大威脅并不是失重,而是宇宙輻射。
宇宙輻射
宇宙輻射主要包括電磁輻射和電離輻射。我們常說的無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線等就屬于電磁輻射,它們貫穿物體的能力差,對人體的危害相對較小;而電離輻射則有相當強的貫穿物質(zhì)的能力,可以使物體材料和生物細胞受到損害,對人體的危害非常大。
前往火星的旅途中,航天員遇到的電離輻射主要有兩種:銀河宇宙射線(Galactic Cosmic Rays, GCR)和太陽射線。
銀河宇宙射線的來源還不清楚,但可以肯定,它們來自太陽系外,具有各向同性,也就是說,它們來自各個方向。銀河宇宙射線還是一種高能帶電粒子流,粒子的能量可以高達1 020eV。這種粒子的主要成分是質(zhì)子(約占85%)、α粒子(約占13%)以及原子序數(shù)大于2的元素的原子核(約占2%)。在原子序數(shù)大于2的原子核中,有一類稱為高能重離子,不僅原子序數(shù)大,而且能量極高,在銀河宇宙射線中危害最大。它不僅能穿透載人飛船座艙的艙壁,而且擊中人體后能引起組織器官的嚴重損傷。銀河宇宙射線的最大通量為每秒鐘每平方厘米4個質(zhì)子、0.4個氦離子、0.04個高能重離子,平均粒子通量為每秒鐘每平方厘米2.5個粒子。人體細胞的細胞核橫截直徑大約為100微米,如果沒有任何防護,每個細胞核平均每3天就會被質(zhì)子擊中一次,每月被氦離子擊中一次,每年被高能重離子擊中一次。
太陽射線是來自太陽質(zhì)子事件所發(fā)射的帶電粒子。太陽會持續(xù)產(chǎn)生低能量粒子流,主要成分為質(zhì)子,也就是我們所熟悉的太陽風。太陽風不會產(chǎn)生很大的輻射危害。當太陽表面出現(xiàn)大耀斑時,會發(fā)射大量高能帶電粒子,這種現(xiàn)象稱為太陽質(zhì)子事件。由于太陽質(zhì)子事件的輻射能量很高,因此對航天員有很大危害。太陽質(zhì)子事件發(fā)射的帶電粒子絕大多數(shù)是質(zhì)子,其次是α粒子,原子序數(shù)大于3的粒子很少。有些太陽質(zhì)子事件中觀測到碳、氮和氧的重核,數(shù)量僅為α粒子的1/6。另外還可以觀測到原子序數(shù)為22~30的超重核,不過數(shù)量更少。太陽質(zhì)子事件可持續(xù)數(shù)小時,甚至持續(xù)數(shù)天。太陽質(zhì)子事件的發(fā)生和強度與太陽活動周期有關(guān),太陽耀斑的數(shù)量和位置呈現(xiàn)出11年的周期性。在太陽活躍的極大年,發(fā)生太陽質(zhì)子事件的可能性較大。因此根據(jù)太陽活動周期,可對太陽質(zhì)子事件作一定程度的預(yù)測。
輻射對身體的影響
銀河宇宙射線和太陽質(zhì)子事件產(chǎn)生的都是初級粒子。當這些初級粒子穿過人體時,還會產(chǎn)生大量的次級粒子,這些次級粒子導(dǎo)致細胞生物效應(yīng),引起DNA損傷和突變。因此,研究輻射對火星航天員的危害時,既要考慮初級粒子,也要考慮次級粒子。
輻射的生物效應(yīng)主要分為早期效應(yīng)和遠期效應(yīng)。火星飛行過程中,早期效應(yīng)的發(fā)生概率比較低。一般認為,早期效應(yīng)主要來自太陽質(zhì)子事件。如果發(fā)生太陽質(zhì)子事件時,輻射劑量很大,而航天員又缺乏足夠的防護措施,就可能發(fā)生早期效應(yīng)。早期效應(yīng)主要有皮膚紅腫、脫發(fā)、輻射病、急性輻射綜合癥等。輻射強度達到6Gy時,皮膚出現(xiàn)紅腫和脫發(fā),輻射強度達到15~20Gy時,會發(fā)生濕性脫皮。當1天內(nèi)受到的輻射劑量超過1Sv時,數(shù)小時內(nèi)就會發(fā)生惡心和嘔吐的輻射病癥狀。急性輻射綜合癥一般發(fā)生在受到輻射后的2~4周,輻射劑量為1.5~2.0Sv時,出現(xiàn)骨髓抑制;輻射劑量為3Sv時,死亡率為10%;輻射劑量為4Sv時,死亡率為90%。如果航天員遭受輻射后,得到及時治療,早期效應(yīng)造成的疾病可能痊愈,但是會留下長期效應(yīng)。如果放射病情嚴重,又未得到及時有效的治療,就會有生命危險。
由于火星載人飛行過程中,發(fā)生早期效應(yīng)的概率較低,人們更關(guān)注遠期效應(yīng)。遠期效應(yīng)主要包括:癌癥、中樞神經(jīng)損傷和白內(nèi)障等。癌癥是科學家最為關(guān)注的,對航天員的健康威脅也最大。但是,目前關(guān)于癌癥的風險分析,主要是根據(jù)二戰(zhàn)日本原子彈幸存者調(diào)查得出,還沒有人體試驗數(shù)據(jù)�？茖W家用老鼠進行了大量的動物試驗,據(jù)此推測對人的影響,推算人體輻射安全劑量標準。
研究人員認為,火星飛行過程中,婦女遭遇的風險更大。由于乳房和卵巢的緣故,女性航天員面臨的危險幾乎是男性航天員的兩倍。
人們還擔心,火星飛行過程中,如果沒有適當?shù)姆雷o措施,宇宙輻射、長期失重和低重力的生理影響,可能會使航天員完全喪失生育能力,因此,有人甚至建議火星航天員選拔50歲以上的人,因為這個年齡段已經(jīng)過了生育年齡。
如何防護輻射
首先,在執(zhí)行火星飛行任務(wù)時,根據(jù)空間天氣預(yù)報,盡量避開太陽質(zhì)子事件,選擇最佳飛行時間,減少航天員遭受大劑量宇宙輻射的風險。載人火星時間選擇在太陽活動的極小年,可以避免大的太陽質(zhì)子事件導(dǎo)致的大劑量輻射暴露。
人體對輻射的反應(yīng)存在很大的個體差異,不同的人對同樣劑量的輻射,身體反應(yīng)有很大不同。因此,選拔火星航天員時,應(yīng)選拔那些對輻射不敏感的航天員。這樣,在相同的輻射暴露情況下,航天員受到的傷害會小些。
對航天員進行屏蔽是解決輻射問題最根本的方法。屏蔽包括主動屏蔽和被動屏蔽。主動屏蔽是通過在航天器周圍建立強電磁場,使帶電粒子偏離飛行器,從而達到屏蔽的目的。其原理類似于地球磁場對地球的保護作用。
事實上,NASA已經(jīng)開展了類似研究,探索利用球體“電場”對空間輻射進行防護,并提出在月球基地建設(shè)過程中,利用電場屏蔽,防護宇宙輻射。他們設(shè)想,在月球基地上方安裝6個可充氣的導(dǎo)電球體,隨后對球體進行充電,達到極高的靜電勢—100兆伏或更高。
被動防護是指用航天器本身的材料或其它防輻射材料做成的屏蔽。由于銀河宇宙射線具有各向同性,輻射來自各個方向,因此需要防護來自各個方向上的射線。銀河宇宙射線中的高能重粒子具有非常強的貫穿能力,有效屏蔽各個方向上的輻射,材料要有相當?shù)暮穸?這會使飛船極端笨重,甚至根本不可行。
實際上,地球早期生命最早面對的就是輻射問題,一方面需要吸收太陽光的能量,進行光合作用,另一方面,還要防護太陽光中有害射線的傷害,如紫外線等。這些早期生命在長期進化過程中,形成了很多輻射防護方法,如防護層、自我修復(fù)、脫水干燥等。通過仿生學,人類也許會找到很好的輻射防護方法。讓人體完全脫水,變成像木乃伊一樣,躲避長期星際飛行中的輻射傷害,到達目的地后,再進行復(fù)水,使人復(fù)活,這也許有太多的科幻成份。但是科學家確實在考慮,通過基因工程技術(shù),制造出超級航天員,使航天員體內(nèi)的細胞在遭受輻射后,能進行自我修復(fù)。
