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(yùn)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(dá)國際空間站之前已經(jīng)攔截掉了其中最具危險(xiǎn)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(shí)際危險(xiǎn)遠(yuǎn)不是我們實(shí)驗(yàn)室里能估計(jì)得到的情況。
飛往月球的阿波羅號(hào)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(gè)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(hào)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(yuǎn)得多,因此航天員的旅行時(shí)間將會(huì)長達(dá)一年以上。如此長時(shí)間暴露在“銀河系宇宙射線”中,目前,沒有哪一個(gè)科學(xué)研究小組能夠估計(jì)出可能的危險(xiǎn)后果。
在地球上,每個(gè)人每年平均接受的輻射量約為350毫雷姆。與之形成對(duì)比的是,乘坐阿波羅14號(hào)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(gè)人3年中接受輻射量的總和。天空實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室的計(jì)算,目前,一個(gè)航天員進(jìn)行從地球到火星的往返旅行可能需要2年半的時(shí)間,在此期間,他受到的輻射將達(dá)到130000毫雷姆,相當(dāng)于他在地球上毫無防護(hù)的生活400年所受到的輻射的總和。
到離地球較遠(yuǎn)的深空飛行,宇宙射線微粒會(huì)“飛”過人體,從而可能損害其脫氧核糖核酸(DNA),使細(xì)胞變異,并且顯然可以在動(dòng)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(duì)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(hù)屏
最近,美國航宇局正在投資研制一種月球輻射防護(hù)屏,它由大大小小的帶電防護(hù)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(gè)電場,抵制高能質(zhì)子和電子。
當(dāng)前的設(shè)計(jì)思路是,帶有弱的負(fù)電荷的球體分布在防護(hù)屏外部區(qū)域以過濾電子,而帶有強(qiáng)的正電荷的球體置于防護(hù)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(gè)足夠強(qiáng)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(gè)輻射防護(hù)的分層途徑。負(fù)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(jí)防護(hù)屏,最有可能的方法是使用土或沙建造成圓形建筑。因?yàn)樵诖酥?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。現(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(xiàng)研究的是美國航宇局下屬的太空輻射實(shí)驗(yàn)室,該實(shí)驗(yàn)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(dòng)物的細(xì)胞和組織,然后觀察這些動(dòng)物所受的傷害。一旦所有的危險(xiǎn)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(hù)屏外,在飛行中的飛船上也可以裝上多級(jí)靜電輻射屏,它由3個(gè)充滿電荷的球組成,這些球分布在一條直線上。中間一個(gè)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(gè)帶負(fù)電荷的球則分布在飛船的兩邊,并遠(yuǎn)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?yàn)檫@種靜電防護(hù)屏需要大量的電荷。
然而,這種方法不能應(yīng)用于火星。因?yàn)樵诨鹦巧响o電場最終會(huì)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(duì)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?yàn)楫?dāng)它們受到高能輻射襲擊時(shí),不會(huì)分裂成次級(jí)粒子,因?yàn)榇渭?jí)粒子與太空輻射本身一樣有害。對(duì)水進(jìn)行的輻射試驗(yàn)也表明,水能“驅(qū)散”輻射。
目前,把低溫流體作為輻射防護(hù)屏的方法還面臨一些挑戰(zhàn),比如,怎樣對(duì)大量的低溫液體進(jìn)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(duì)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(hù)產(chǎn)品的熱門材料。
馬歇爾航天飛行中心制造的一種超強(qiáng)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(jià)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(huì)用它來“包裹”航天員的生活區(qū)域。實(shí)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(jī)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?dú)庵薪?jīng)受熱沖壓,熱沖壓時(shí)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(shí)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(dòng)航天服,這種航天服約有21kg重,由12層組成,它的最外層不會(huì)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(shí)驗(yàn)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(shí)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�？茖W(xué)家們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里模擬了太空輻射環(huán)境,同時(shí)給接受實(shí)驗(yàn)的小老鼠食品中每天加入凍草莓,經(jīng)過一段時(shí)間的仔細(xì)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(dòng)得到了明顯的增強(qiáng)。
盡管目前科學(xué)家們已經(jīng)證實(shí)草莓具有抵抗輻射的特性,然而他們對(duì)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(huì)立即對(duì)其進(jìn)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(xì)胞
如果采用種種防護(hù)辦法仍不能完全擋住太空輻射的話,還有一種補(bǔ)救措施:用“納米膠囊”(或稱“納米微粒”)修復(fù)受損細(xì)胞�？茖W(xué)家正在開發(fā)這種膠囊,它能進(jìn)入人體內(nèi)的一個(gè)個(gè)單獨(dú)的細(xì)胞,并將其修復(fù),如果細(xì)胞的損害過于嚴(yán)重,就干脆殺死這些細(xì)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(xì)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(jìn)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(jìn)入血流,納米微粒能有效地找到被輻射損壞的細(xì)胞。它們會(huì)進(jìn)入受損細(xì)胞并釋放DNA修復(fù)酶,以修理細(xì)胞,使其恢復(fù)正常功能。如果輻射造成的損傷很嚴(yán)重,納米微粒就會(huì)使細(xì)胞自動(dòng)破壞DNA序列,從而殺死細(xì)胞。
用納米微粒完成生物傳感和藥物輸運(yùn)工作是一種激進(jìn)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(gè)質(zhì)的飛躍。
