ExoMars 航天器测量了深空的辐射,以帮助保护未来的宇航员

这个消息并不算好,但也不是无法应对。
an astronaut takes a selfie in space
宇宙和太阳辐射可能会限制人类在太空中的停留时间,而为期三年的火星任务将触及这一极限。Pixabay

登陆火星是危险的。宇航员需要克服六个月的深空旅行才能到达那里,然后在表面停留一年半,之后才能返程地球,然后再花费六个月回家。这意味着要与地球丰富的资源隔绝两年半,所以第一批船员必须携带大量的氧气和水、顶级的二氧化碳吸收器和尿液回收器,以及成吨的土豆

还有一些不易察觉的风险,它们会损害健康,但不一定立即致命。所有船员在心理上是否都能应对挑战?低重力环境多年会对骨密度造成什么影响?然后是辐射,这些来自星系际空间和太阳的能量粒子。地球的磁场保护我们免受大部分辐射的伤害,但在太空中,这些快速移动的粒子很容易渗入我们的身体,破坏 DNA 链,增加患癌症的风险。

周三,欧洲航天局公布了其 ExoMars 痕量气体轨道器在 2016 年从地球前往火星的六个月旅程中探测到的辐射量。在此期间,这艘无人驾驶的航天器遇到的辐射量约为欧洲宇航员职业生涯辐射剂量的 30%。这意味着任何进行往返火星任务的人,都将承担欧洲航天局认为在其一生中可接受剂量的至少 60%,这还不包括在火星表面停留的时间,那里的辐射风险约为太空中的一半。欧空局宣布的 60% 听起来确实很可怕,但它对健康风险究竟意味着什么?过去的 NASA 研究可以帮助我们更好地理解。

衡量辐射的单位有很多——一个人们常喜欢用的单位是 BED,即香蕉当量剂量,一个单位等于吃一个香蕉所获得的辐射量。但航天机构关心的是毫希沃特(mSv)单位,因为它旨在衡量辐射对健康的风险。一希沃特(1000 mSv)的辐射相当于一生中患癌症的风险增加约 5%

巧合的是,NASA 估计其为期两到三年的载人火星任务计划也涉及每位宇航员约 1000 mSv 的辐射量,早在 2008 年就在教育文件中就已列出这个数字。这个数值足以引起关注(例如纳米管屏蔽冰屋等新技术旨在降低它),但并非一定会构成阻碍,因为它正好处于 NASA 在官僚层面可以接受的极限。

NASA 允许宇航员在其职业生涯中承受的最大辐射量取决于年龄和性别,从 25 岁女性的 1000 mSv 到 55 岁男性的 4000 mSv 不等。该政策的目标是将宇航员一生中死于癌症(而不仅仅是患癌症)的风险增加控制在 3% 以内。而且,这 3% 是在普通地球人已经很高的风险之上增加的:根据美国癌症协会的数据,患癌症的概率为 40%,死于癌症的概率约为 20%。欧空局甚至更严格,将所有宇航员的职业生涯总暴露量限制在 1000 mSv,无论年龄和性别。

2014 年,NASA 更新了其估计值,基于好奇号探测器前往火星并漫游火星表面的经验,给出了一些确凿的数据。该探测器估计,宇航员在前往红色星球的六个月旅程中将接受 300 mSv 的辐射,在表面生活 18 个月(火星表面至少能阻挡一半的辐射)接受约 400 mSv,在返回途中再接受 300 mSv,总计约 1010 mSv——正好在目标范围内。

没有医生会建议每年接受超过 300 mSv 的辐射,但这也远非死刑判决。毕竟,我们每天都会受到环境中天然放射性元素(如香蕉中的钾)的辐射。在美国,我们每年接受约三毫希沃特。飞行乘务员的生活辐射剂量为五毫希沃特。核电站工作人员允许的年辐射暴露量为 20 mSv,而伊朗拉姆萨尔的居民,他们的房屋是用当地的放射性石灰石建造的,一生中每年高达 250 mSv 的年剂量。幸运的是,尽管背景辐射接近火星表面,但那里的癌症发病率却与附近地区相似,这令人费解。

欧空局尚未公布 ExoMars 测量的具体数据,但其严格指南的 60% 表明往返行程约为 600 mSv。加上在表面停留期间的 400 mSv,任务总计约为三年 1000 mSv——这是两个机构都处于可接受边缘的“魔术数字”。一次长途任务就获得全部职业生涯的剂量,可能意味着被迫提前退役,但经过一年半的火星探索,一些宇航员可能已经准备好享受地球生活了。

NASA 和欧空局将继续开发技术来保护宇航员免受辐射的伤害,同时继续向太空深处探索。但即使在早期阶段,对于那些经过精心规划、有少量屏蔽的航行中,未来火星探险家所面临的背景辐射,似乎与目前宇航员在国际空间站的近地轨道上所能承受的辐射量并没有太大区别。而且,这个职位并不缺乏申请者

 

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Charlie 是一名记者,报道地球内外物理科学领域的发展。除了《流行科学》,他的作品还发表在《Quanta Magazine》、《Scientific American》、《The Christian Science Monitor》等刊物上。此前,他曾在莫桑比克和日本教授物理和英语,并在布朗大学学习物理。您可以在这里查看他的网站。


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