美國科學(xué)家研發(fā)“金鐘罩” 欲抵御宇宙輻射

2005/10/31 20:03:00

　　1969年7月“阿波羅”號宇宙飛船將人類成功地帶上月球，實現(xiàn)了人類自古以來就夢寐以求的登月美夢。但很多專家認(rèn)為，這是巨大的冒險，在“阿波羅”6次登月過程中，如果任何一次遇到一個重大輻射事件，執(zhí)行任務(wù)的宇航員都將遭遇滅頂之災(zāi)。目前，美國航空航天局的專家正在研發(fā)未來登月宇航員抵御宇宙輻射的工具，以防止太空悲劇的發(fā)生。

　　據(jù)美國空間科技網(wǎng)近日報道，人類要在地球以外的星球長期居住，宇宙輻射是一大致命威脅。美國航空航天局贊助的研究小組正在以月球為研究對象，研發(fā)未來登月宇航員防范宇宙輻射侵害的工具。這個構(gòu)想對人們來說并不陌生，科幻電影中常有類似的輻射防護(hù)屏障，它通常被描繪成一種半球形的透明“玻璃罩”。然而在現(xiàn)實中，科學(xué)家們更傾向于使用“多層能量防護(hù)場”來抵御宇宙輻射。如果防護(hù)成功，這種輻射防護(hù)屏可保護(hù)宇航員在脫離地球磁場的太空飛行期間，免受長期的、可致命的輻射危害。

　　宇宙輻射可增加宇航員患癌的危險。

　　“人類要在月球上居住和進(jìn)行長時間太空探索，需要解決的一個大問題就是太空輻射。”美國航空航天局宇宙輻射健康組織專家弗蘭克·古森諾塔表示，“目前航天界已清楚有多少種、多大劑量的射線，正在月球的上空等著宇航員。但是現(xiàn)在尚不知道，當(dāng)人體接觸到它們后，究竟會引起多大的麻煩。”太深空中來往穿梭著大量來自于太陽風(fēng)的高能質(zhì)子流、來自于黑洞新生期間產(chǎn)生的伽馬射線暴以及各種恒星爆炸中產(chǎn)生的宇宙射線。由于地球大氣層的屏蔽效應(yīng)，到達(dá)地面的輻射劑量很小，對生活在地球上的人基本沒有危害。而在月球上，由于失去了大氣層的保護(hù)作用，宇航員如果不具備有效的輻射防護(hù)，可能受到致命傷害。

　　美國航空航天局曾以致癌程度來衡量與評估輻射的危險度。一個無吸煙不良嗜好的40歲的健康美國人，他們最終因癌癥而死亡的幾率是20%。如果他旅行到了太空，這個危險的幾率將上升。科學(xué)家們研究了在60多年前日本廣島原子彈爆炸中幸存下來的受過大劑量輻照人群患上癌癥的情況后，得出這樣的結(jié)論：在月球上執(zhí)行一項達(dá)1000天時間的任務(wù)后，患癌的危險可能增加至19%。這就意味著，才40來歲的宇航員回到地球后，在以后的生活中將面臨高達(dá)20% + 19% = 39%的患癌危險。這是令人難以接受的。一些曾在太空穿行的宇航員曾對這種宇宙射線輻射有所體驗：他們閉上眼睛時曾感受到宇宙射線像火花一樣在他們的視網(wǎng)膜上閃耀。研究表明，這些輻射對人眼有著極大損害，由于輻射劑量不是太大，當(dāng)時沒有體現(xiàn)出來，二十多年后，有幾位宇航員因為眼睛發(fā)生病變而患上了白內(nèi)障。弗蘭克·古森諾塔指出，登上月球的“阿波羅”號宇航員在不具完備的防護(hù)之下，仍能保持良好狀態(tài)，主要是運(yùn)氣使然。在“阿波羅”6次登月過程中，只要任何一次遇到一個大的輻射事件，執(zhí)行任務(wù)的宇航員都會遭遇滅頂之災(zāi)。所幸，“阿波羅”的成員最多只在月球上停留了幾天時間。

　　建立球形靜電輻射防護(hù)屏，抵御高能粒子的襲擊。

　　在月球上，對宇航員來說最大的威脅還是銀河系宇宙射線（GCRs），它們是一些從遙遠(yuǎn)的超新星爆炸中產(chǎn)生的粒子，被加速到了接近光速。這些粒子中最危險的又?jǐn)?shù)重離子核，如離子化的鐵原子核，它們的能量（百萬以上電子伏特）比來自于太陽風(fēng)的高速質(zhì)子的能量（幾十到幾百電子伏特）可要高多了。

　　這樣的高能粒子像微小的加農(nóng)炮彈珠，輕而易舉地穿透金屬外殼，鉆破人的皮膚，打斷細(xì)胞中遺傳物質(zhì)DNA的雙鏈，毀壞基因甚至殺死細(xì)胞。現(xiàn)在，該研究小組正在尋找安置那些不同尺寸的球形大型電場發(fā)生器的方案，以建立一個靜電輻射防護(hù)屏來抵御這種以銀河系宇宙射線形式在宇宙中穿梭的高能粒子。

　　當(dāng)前的設(shè)計是，采用帶有微弱負(fù)電荷的球體分布在防護(hù)屏外圍，以此過濾電子；而帶有強(qiáng)大正電荷的發(fā)生器聚集在中心地帶，則使高能質(zhì)子偏離。這個靜電輻射防護(hù)屏可通過制造相當(dāng)于地球大氣一般的強(qiáng)力環(huán)繞磁場以抵御放射粒子。

　　但是目前的技術(shù)難題在于，安置一定數(shù)量的球體來建立一個綜合電場，其強(qiáng)度要足以消除輻射，卻又要不至于剝離月球基地建筑或周圍物質(zhì)的電子。因此，需要一個40米高的高桿，必須保證發(fā)生器處于安全的水平距離。此外，研究人員認(rèn)為，球形發(fā)生器還可與貼近地面的平面靜電防護(hù)屏結(jié)合，防止發(fā)生器表面吸附月球灰塵，妨礙工作。對于這個防護(hù)屏所需的能量，研究人員目前沒有計算出所需能量值。根據(jù)科學(xué)家過去進(jìn)行的研究，這個數(shù)字將大得驚人。美國航空航天局的物理學(xué)家羅伯特·揚(yáng)奎斯特指出：“真正的問題在于，這樣的防護(hù)屏需要怎樣的能量水平。如果電流過大，方案將不可行。”

　　用“月球磚”建造防輻射的掩護(hù)所。

　　為了讓這種靜電場在月球上效力最佳化，研究者還設(shè)想了一個將輻射防護(hù)分層的辦法，選擇月球上的物質(zhì)，作為次級防護(hù)屏。“因為重量的考慮，我們不能把大多數(shù)材料作為長期的掩蔽所。所以我們正在做一件事———以當(dāng)?shù)匕l(fā)現(xiàn)的元素做輻射屏蔽材料。”美國航空航天局蘭勒研究中心專家梯彪特認(rèn)為一個可能的解決辦法是“月球磚”。

　　梯彪特解釋說：“宇航員可以用月球本土適用的材料生產(chǎn)防輻射磚，并用它們建造掩護(hù)所。比如說，它們可以用覆蓋月球表面的沙一樣的‘風(fēng)化層’和就地加工的水與二氧化碳的聚合物混合起來，這兩種東西在月球上都很豐富。用微波將這種混合物調(diào)勻，做成看起來像塑料的磚塊，它比優(yōu)質(zhì)輻射屏蔽還要好一倍。”研發(fā)小組認(rèn)為，此法非常實用，屆時宇航員可用很少的能量和設(shè)備快速地制造這些磚塊，然后可用這些磚塊輕松地建造半圓形次級防護(hù)屏。

　　用新型聚乙烯建造防輻射內(nèi)核。

　　此外，研究小組專家還希望建立一個防輻射的優(yōu)質(zhì)內(nèi)核，以提高防御能力。現(xiàn)在科學(xué)家正對新型聚乙烯寄予厚望，聚乙烯的主要優(yōu)點是輕質(zhì)和富含氫，能有效吸收宇宙輻射，比以前用于制造阿波羅太空船指令艙的金屬鋁還能多吸收20%的宇宙射線。

　　新型聚乙烯的制作工藝與制作攻擊直升機(jī)防彈裝甲板的工藝相類似。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7千克/平方厘米。

　　馬歇爾太空飛行器研究中心目前制造的一種超強(qiáng)聚乙烯材料比鋁還要硬十倍，并且也要輕許多。專家們認(rèn)為，超強(qiáng)聚乙烯材料是用于建造防護(hù)層內(nèi)核的最好材料，但是它的造價非常昂貴，目前研究者正致力于降低其成本。

　　與此同時，還有一些其它方案旨在運(yùn)用磁場、等離子體、電子流等方法來開發(fā)防護(hù)屏。參與研究的肯尼迪宇航中心科學(xué)家約翰·萊恩說：“不管這些方案是否為靜電防護(hù)屏，這都是我們必須關(guān)注的研究領(lǐng)域。如果這種方法不好，那至少我們可以弄清楚為什么不好。約翰·萊恩和他的同事們認(rèn)定，從現(xiàn)有的相關(guān)技術(shù)條件及其發(fā)展前景看，屏蔽宇宙射線已不是一個不可能的任務(wù)，關(guān)鍵在于通過可靠的試驗作出最好的選擇，為人類未來的太空生活打造一道疏而不漏的安全防線。