美國(guó)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(hào)宇宙飛船將人類成功地帶上月球，實(shí)現(xiàn)了人類自古以來(lái)就夢(mèng)寐以求的登月美夢(mèng)。但很多專家認(rèn)為，這是巨大的冒險(xiǎn)，在“阿波羅”6次登月過(guò)程中，如果任何一次遇到一個(gè)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(guó)航空航天局的專家正在研發(fā)未來(lái)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(guó)空間科技網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道，人類要在地球以外的星球長(zhǎng)期居住，宇宙輻射是一大致命威脅。美國(guó)航空航天局贊助的研究小組正在以月球?yàn)檠芯繉?duì)象，研發(fā)未來(lái)登月宇航員防范宇宙輻射侵害的工具。這個(gè)構(gòu)想對(duì)人們來(lái)說(shuō)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(shí)中，科學(xué)家們更傾向于使用“多層能量防護(hù)場(chǎng)”來(lái)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(chǎng)的太空飛行期間，免受長(zhǎng)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(xiǎn)。

　　“人類要在月球上居住和進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間太空探索，需要解決的一個(gè)大問(wèn)題就是太空輻射。”美國(guó)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(huì)引起多大的麻煩。”太深空中來(lái)往穿梭著大量來(lái)自于太陽(yáng)風(fēng)的高能質(zhì)子流、來(lái)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(duì)生活在地球上的人基本沒(méi)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(guó)航空航天局曾以致癌程度來(lái)衡量與評(píng)估輻射的危險(xiǎn)度。一個(gè)無(wú)吸煙不良嗜好的40歲的健康美國(guó)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(gè)危險(xiǎn)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(lái)的受過(guò)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(xiàng)達(dá)1000天時(shí)間的任務(wù)后，患癌的危險(xiǎn)可能增加至19%。這就意味著，才40來(lái)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(xiǎn)。這是令人難以接受的。一些曾在太空穿行的宇航員曾對(duì)這種宇宙射線輻射有所體驗(yàn)：他們閉上眼睛時(shí)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(duì)人眼有著極大損害，由于輻射劑量不是太大，當(dāng)時(shí)沒(méi)有體現(xiàn)出來(lái)，二十多年后，有幾位宇航員因?yàn)檠劬Πl(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(hào)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(guò)程中，只要任何一次遇到一個(gè)大的輻射事件，執(zhí)行任務(wù)的宇航員都會(huì)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(shí)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(duì)宇航員來(lái)說(shuō)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(xiǎn)的又?jǐn)?shù)重離子核，如離子化的鐵原子核，它們的能量（百萬(wàn)以上電子伏特）比來(lái)自于太陽(yáng)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(chǎng)發(fā)生器的方案，以建立一個(gè)靜電輻射防護(hù)屏來(lái)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(jì)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(guò)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(gè)靜電輻射防護(hù)屏可通過(guò)制造相當(dāng)于地球大氣一般的強(qiáng)力環(huán)繞磁場(chǎng)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(lái)建立一個(gè)綜合電場(chǎng)，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(gè)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(duì)于這個(gè)防護(hù)屏所需的能量，研究人員目前沒(méi)有計(jì)算出所需能量值。根據(jù)科學(xué)家過(guò)去進(jìn)行的研究，這個(gè)數(shù)字將大得驚人。美國(guó)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(wèn)題在于，這樣的防護(hù)屏需要怎樣的能量水平。如果電流過(guò)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(chǎng)在月球上效力最佳化，研究者還設(shè)想了一個(gè)將輻射防護(hù)分層的辦法，選擇月球上的物質(zhì)，作為次級(jí)防護(hù)屏。“因?yàn)橹亓康目紤]，我們不能把大多數(shù)材料作為長(zhǎng)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(guó)航空航天局蘭勒研究中心專家梯彪特認(rèn)為一個(gè)可能的解決辦法是“月球磚”。

　　梯彪特解釋說(shuō)：“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(shuō)，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(lái)，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(lái)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(shí)用，屆時(shí)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(jí)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(gè)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(duì)新型聚乙烯寄予厚望，聚乙烯的主要優(yōu)點(diǎn)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?dú)庵薪?jīng)受熱沖壓，熱沖壓時(shí)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(jià)非常昂貴，目前研究者正致力于降低其成本。

　　與此同時(shí)，還有一些其它方案旨在運(yùn)用磁場(chǎng)、等離子體、電子流等方法來(lái)開(kāi)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(shuō)：“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(gè)不可能的任務(wù)，關(guān)鍵在于通過(guò)可靠的試驗(yàn)作出最好的選擇，為人類未來(lái)的太空生活打造一道疏而不漏的安全防線。