人类要想飞出地球,前往月球和火星,并建立基地,需要解决诸多问题,而航天员所面临的首要问题之一是如何抵御太空辐射。
太空辐射知多少
太空辐射是一种包含伽玛射线、高能质子和宇宙射线的特殊混合体。至今,人类的航天员基本上从未经历过完全剂量的太空辐射。即使是常年运转的国际空间站,由于它的轨道也仅仅只在地球上空的400千米处。而我们的地球球体通过低层大气的折射,在宇宙射线到达国际空间站之前已经拦截掉了其中最具危险的三分之一粒子,还有三分之一则被地球磁场给反射掉了。仅仅只有很少部分的宇宙射线打到了人体的身上。所以,太空辐射的实际危险远不是我们实验室里能估计得到的情况。
飞往月球的阿波罗号上的航天员所受到的宇宙射线辐射剂量比空间站中的航天员多2倍,虽然整个空间穿梭行程只有数天,但已经让他们的眼睛受到了巨大的伤害,多年后,这些航天员都患上了白内障。阿波罗号上的航天员至今仍然记得,在飞向月球的路上,他们甚至一路看见宇宙射线像火花一样在他们的视网膜上闪耀。幸好除此之外他们似乎没有受到其它伤害。
比起月球来,火星离我们地球遥远得多,因此航天员的旅行时间将会长达一年以上。如此长时间暴露在“银河系宇宙射线”中,目前,没有哪一个科学研究小组能够估计出可能的危险后果。
在地球上,每个人每年平均接受的辐射量约为350毫雷姆。与之形成对比的是,乘坐阿波罗14号飞船登月的航天员在9天的任务中受到了1140毫雷姆的辐射,相当于地球上一个人3年中接受辐射量的总和。天空实验室上的航天员在低地轨道停留了80多天,他们每人受到的辐射量约为17800毫雷姆,等于在地球上呆50年。根据布鲁克海文国家实验室的计算,目前,一个航天员进行从地球到火星的往返旅行可能需要2年半的时间,在此期间,他受到的辐射将达到130000毫雷姆,相当于他在地球上毫无防护的生活400年所受到的辐射的总和。
到离地球较远的深空飞行,宇宙射线微粒会“飞”过人体,从而可能损害其脱氧核糖核酸(DNA),使细胞变异,并且显然可以在动物体内致癌,还可以导致白内障和不育症。此外科学家们很关心这种辐射对大脑的影响,长期暴露在宇宙射线中可以引起神经原破坏,从而可能损害记忆和影响思维过程。
月球辐射防护屏
最近,美国航宇局正在投资研制一种月球辐射防护屏,它由大大小小的带电防护球组成。研究人员正试图寻求最好方法,来排列这些不同尺寸的球体,使之产生一个电场,抵制高能质子和电子。
当前的设计思路是,带有弱的负电荷的球体分布在防护屏外部区域以过滤电子,而带有强的正电荷的球体置于防护屏中心,以使高能质子偏离。
但是其挑战在于,把大量球体排列起来,使其构成一个足够强大的综合电场,虽然使太空辐射偏离,但不足以剥离月球基地建筑或周围物质的电子。因此,这些球体必须位于40米高的杆子上。
为了使这种月球静电场效力最佳化,研究人员预想了一个辐射防护的分层途径。负的静电场和正的静电场交互排列,防止球体表面吸附月球灰尘而阻碍正常工作。也可能选择月球上的物质,作为次级防护屏,最有可能的方法是使用土或沙建造成圆形建筑。因为在此之前,研究人员就已确信月球或火星表面土壤可以防御太空辐射。现在正在研究怎样开采泥土,并用什么聚合物来把这些泥土结合。
承担此项研究的是美国航宇局下属的太空辐射实验室,该实验室通过粒子加速器来模拟宇宙射线。研究人员用加速器中产生的高能粒子束来照射哺乳动物的细胞和组织,然后观察这些动物所受的伤害。一旦所有的危险都已查明,美国航宇局的专家们就能决定究竟应该造什么样的太空飞船飞往月球和火星。
把飞船“武装”起来
除了在月球基地上建立静电防护屏外,在飞行中的飞船上也可以装上多级静电辐射屏,它由3个充满电荷的球组成,这些球分布在一条直线上。中间一个带正电荷的球接近甚至附着在飞船乘员舱的外部,另外2个带负电荷的球则分布在飞船的两边,并远离飞船。这样足够抵御接近飞船的高能质子和电子。目前的关键是要解决能量供应,因为这种静电防护屏需要大量的电荷。
然而,这种方法不能应用于火星。因为在火星上静电场最终会通过大气产生电流,并形成电弧,从而损坏静电辐射屏。
另一种“武装”飞船的办法是利用飞船携带的低温流体,把装有这些低温流体的罐子排列在乘员舱的四周。在绝大多数太空探索飞行中,飞船必须携带液氢作燃料,还需要带大量的水。这些物质对抵御宇宙射线的侵袭是非常有效的。
液氢原子能有效屏蔽银河宇宙射线,因为当它们受到高能辐射袭击时,不会分裂成次级粒子,因为次级粒子与太空辐射本身一样有害。对水进行的辐射试验也表明,水能“驱散”辐射。
目前,把低温流体作为辐射防护屏的方法还面临一些挑战,比如,怎样对大量的低温液体进行安全处理。
塑料制成“宇宙金盾”
塑料是一种富含氢元素的物质,而氢元素对宇宙射线具有良好的吸收与散射性能,例如,我们常用来制造垃圾袋的聚乙烯塑料,甚至比金属铝还能多吸收20%的宇宙射线,所以聚乙烯成为当前制作辐射防护产品的热门材料。
马歇尔航天飞行中心制造的一种超强聚乙烯材料比铝还要硬10倍,并且质量也要轻许多,只是造价非常昂贵,如果足够便宜,它将成为新一代宇宙飞船的制造材料,特别是将会用它来“包裹”航天员的生活区域。实际上,国际空间站的航天员休息舱已经在使用这种材料。
聚乙烯的另一功能是能够防止微陨星的撞击,为此用聚乙烯制成专门的“砖块”,其制作工艺与制作攻击直升机的防弹装甲板相类似。为了制作这样的“铠甲”,由200～300层互相叠放在一起的聚乙烯薄膜制成的“装甲砖块”要在氮气中经受热冲压,热冲压时温度约为80℃,压力为7kg/cm2。
草莓的神奇功效
如果人在火星上行走,航天服必须具有屏蔽辐射的功能,同时还必须抵挡得住火星沙尘暴的攻击。美国航宇局的研究人员正在研制这种未来太空探索所需的舱外活动航天服,这种航天服约有21kg重,由12层组成,它的最外层不会与火星沙尘暴中的静电尘埃发生作用。
而航天员自身也要提高免疫力,美国太空辐射实验室的科学家们已经研究证明,使用普通草莓能够帮助航天员在太空长期作业时免遭宇宙射线的辐射,特别是辐射所引起的神经系统的破坏。科学家们在实验室里模拟了太空辐射环境,同时给接受实验的小老鼠食品中每天加入冻草莓,经过一段时间的仔细观察后科学家们发现,食用了冻草莓的小老鼠大脑活动得到了明显的增强。
尽管目前科学家们已经证实草莓具有抵抗辐射的特性,然而他们对草莓为何具有这样的特性却不是十分清楚。科学家们表示,如果有朝一日他们能够揭开草莓所含的这种神奇成分之谜,他们将会立即对其进行人工合成并制成片剂提供给长期从事太空研究的航天员。
“纳米胶囊”修复细胞
如果采用种种防护办法仍不能完全挡住太空辐射的话,还有一种补救措施：用“纳米胶囊”(或称“纳米微粒”)修复受损细胞。科学家正在开发这种胶囊,它能进入人体内的一个个单独的细胞,并将其修复,如果细胞的损害过于严重,就干脆杀死这些细胞。
这种胶囊的长度仅有几百纳米(1纳米等于十亿分之一米),比细菌小的多,甚至比可见光的波长还要短。用一只皮下注射针头进行的简单注射能把成千乃至上百万的胶囊注入人体血流中。一旦进入血流,纳米微粒能有效地找到被辐射损坏的细胞。它们会进入受损细胞并释放DNA修复酶,以修理细胞,使其恢复正常功能。如果辐射造成的损伤很严重,纳米微粒就会使细胞自动破坏DNA序列,从而杀死细胞。
用纳米微粒完成生物传感和药物运输工作是一种激进的新方法,要在多年以后才能变得成熟可靠,而一旦成功,它将是一个质的飞跃。
