真實的火星救援：如何保護火星宇航員免遭太空輻射之害？

在阿波羅時代期間的1972年8月7日，太陽大氣中爆發了一場巨型耀斑。這一事件釋放出了一場幾乎跨越波段的巨型爆發，還加速了一大波高能粒子。它們大多數是質子，還混雜有少數電子以及較重的元素。這波高速運動的粒子對於任何走出地球防護性磁泡的人來說都很危險。幸運的是，阿波羅16號機組在僅僅5個月之前返回了地球，將將躲過了這場強有力的事件。

在載人航天時代的早期，科學家剛剛開始了解到太陽上的事件是如何會對太空產生影響，而這樣的輻射又是如何會轉而影響人體和設備的。如今由於全面的太空輻射研究，我們對空間環境及其影響，以及保護宇航員的最佳方式有了更好的了解——而對於NASA的載人登陸火星任務來說，這都是關鍵部分。

2015年4月28日到29日，一條長長的日珥噴發進了太空中。這類噴發叫做日冕物質拋射（CME），有時會跟隨一撥高能粒子，對於超出地球磁場系統和大氣層防護範圍之外的宇航員和電子設備來說，這些粒子會是非常危險的。對於載人前往火星的旅程來說，我們必須要在任務規劃的每個部分都考慮粒子輻射的防護問題。（圖片提供：ESA/NASA/SOHO）

影片《火星救援》凸顯了在前往火星的往返旅程中可能存在的輻射風險。雖然影片中的任務是虛構的，但是NASA已經開始致力於開發相關技術，以在21世紀30年代開展真正的火星之旅。在影片中，火星上的宇航員居住區為他們防護著輻射的威脅，而實際上，輻射屏蔽會是火星之旅的關鍵技術。從更好的屏蔽設備到先進的生物醫學措施，NASA當前正在研究如何防護宇航員與電子設備免受輻射之害——這些努力將結合到火星任務規劃的每個方面中去，從航天器到居住區設計再到太空行走方案無一例外。

來自馬里蘭州格林貝爾特（Greenbelt）NASA戈達德太空飛行中心載人航天計劃設計師兼工程師魯森·劉易斯（Ruthan Lewis）說：「無論是從地球到火星的旅程還是在火星表面的活動，在宇航員日常生活的每一件事情中，太空輻射環境都是要顧及的關鍵。」

在最基本的層面上，輻射只是向另一個物體（無論它是宇航員還是航天器部件）攜帶能量的波動或亞原子粒子。太空中的主要顧慮就是粒子輻射。高能粒子可以徑直穿過皮膚，沉積能量並沿途破壞細胞或DNA，因此對人體具有危險性。這樣的破壞意味著在隨後的餘生中患癌症的風險提高，最壞的可能則是如果高能粒子劑量過大，宇航員在任務期間就會得上嚴重的輻射病。

對我們來說幸運的是，地球的天然防護屏蔽了幾乎所有高能粒子，除了能量最高的粒子之外，其他都不會抵達地表。名為磁層的一個巨型磁泡讓大多數這樣的粒子路徑發生了偏轉，保護了我們的地球。而我們的大氣隨後會吸收穿過磁泡的大多數粒子。重要的是，由於國際空間站（ISS）在磁層之內環繞地球的低軌道上運行，它也可以為我們的宇航員提供相當的防護。

來自休斯敦市NASA約翰遜航天中心的科學家凱利·李（Kerry Lee）說：「我們在ISS住人的內部設置了測量輻射環境的儀器，甚至在空間站外面也有。」

ISS成員跟蹤監測的內容還每名宇航員短期以及一生之中接受的輻射劑量，以評估輻射相關疾病的風險。雖然NASA保守的輻射上限大於地球上輻射相關工作者允許的劑量，但在地球磁層之內，宇航員在NASA的上限之下可以在ISS上很好地生活和工作。

但是前往火星的旅程需要宇航員向外走到遠得多的地方，超出了地球磁泡的保護範圍。

來自戈達德中心的航天輻射工程師喬納森·佩里什（Jonathan Pellish）說：「火星上可以進行很多不錯的科學研究，但是行星際航天飛行承擔的輻射風險要比在地球低軌道上工作大得多。」

載人火星任務意味著就算在紅色星球上停留時間很短，也還要讓宇航員進入行星際空間至少一年。在此期間，宇航員幾乎所有的時間都要處於地球磁層以外，暴露在惡劣的太空輻射環境中。火星沒有全球性的磁場來讓高能粒子發生偏轉，而它的大氣也比地球稀薄很多，因此哪怕在火星表面上，宇航員受到的防護也非常少。

在這張海盜1號軌道器在1976年6月拍攝的照片中，火星富塵的紅色表面之上漂浮著半透明的大氣。與地球大氣相比，稀薄的火星大氣對四面八方射入的快速運動的高能粒子的屏蔽效果要差很多，這意味著火星上的宇航員必須要藉助防護，免受惡劣的輻射環境之害。（圖片提供：NASA/Viking 1）

在整個旅途中，宇航員都必須要防護兩類輻射源。第一類來自太陽，太陽會規律地釋放穩定的太陽粒子流，偶爾還會在巨型噴發（如太陽耀斑和日冕物質拋射）之後出現較大的爆發。這些高能粒子幾乎都由質子組成，不過雖然太陽釋放的粒子數量大得無法計數，但質子能量足夠低，因此航天器本體結構就可以對幾乎全部的太陽粒子進行物理屏蔽。

由於太陽活動為深空輻射環境作了很大貢獻，更好地了解太陽對輻射環境的調製會讓任務規劃者為未來的火星任務進行更好的決定。NASA當前有一系列的航天器在整個太陽系中研究太陽和太空環境。來自這一研究領域（太陽物理學）的觀測幫助我們更好地了解了太陽噴發的起源，以及這些事件對整體太空環境帶來的影響。

佩里什說：「如果我們能夠確切地知道正在發生的情況，我們毋須進行保守估計，這就在任務規劃期間為我們提供了更多靈活性。」

第二種高能輻射源更難以屏蔽。這些粒子來自銀河宇宙線，通常它們被稱作GCR。它們是被加速到幾近光速的粒子，從銀河系中的其他恆星甚至是其他星系射入我們的太陽系。與太陽粒子一樣，銀河宇宙線粒子主要是質子。然而這其中的一部分是更重的元素，從氦到最重的元素不等。這些能量更高的粒子在轟擊物質（如宇航員、航天器的金屬側壁、居住區或車輛）後，可以將其中的原子擊碎，讓亞原子粒子流湧入被轟擊物的結構中去。人們知道，這種次級輻射可以達到具有危險性的水平。

屏蔽這些能量更高的粒子及其次級輻射的方式有兩種：要麼是使用多得多的傳統航天器材料，又或者是使用更為有效的屏蔽材料。

環繞在某個結構周圍的材料凈體積將吸收高能粒子及其成協的次級粒子輻射，讓它們無法抵達宇航員。然而，依靠航天器側壁體積來防護宇航員的成本貴得讓人無法承受，原因是更多的質量意味著發射時需要更多的燃料。

使用更有效的屏蔽材料可以縮減質量與開支，不過尋找合適的材料就需要進行研究，還要藉助才智了。NASA當前正在研究幾種可能性，它們可以用在從航天器到火星居住區再到宇航服的各個方面。

佩里什說：「阻擋粒子輻射的最好方式是讓高能粒子沖入體積相當的東西中。否則這就好像是你騎著三輪車撞擊拖拉機一樣。」

由於質子和中子大小接近，有一種元素可以非常好地阻隔二者——氫，其最常見的形式由一個質子和一個電子組成。方便的是，氫是宇宙中丰度最高的元素，而且是很多常見化合物（如水和聚乙烯等塑料）重要的組成部分。工程師可以充分利用已有的質量，通過將宇航員的垃圾處理為填充塑料的磚塊，來加強輻射防護。在航天器或居住區中，宇航員本來就需要的水分可以有策略地存儲起來，形成一道輻射風暴的防護屏障。然而這種策略是存在一些挑戰的——宇航員需要使用水分，隨後用先進生命支持系統提供的循環水來補充代替它們。

聚乙烯是水瓶和購物袋中使用的同一種塑料，它也是輻射屏蔽的一種候選材料。聚乙烯中氫元素含量極高，而且生產成本較低。然而這種材料強度並不夠大，無法構築大型結構，尤其是一架在發射期間要經受高溫和強大作用力的航天器。而將聚乙烯與金屬結構結合起來會大大增加質量，這意味著發射時需要更多的燃料。

來自弗吉尼亞州漢普頓市（Hampton）NASA蘭利（Langley）研究中心的材料研究者希拉·蒂博（Sheila Thibeault）說：「我們在減輕並屏蔽高能粒子方面取得了進展，不過我們還在努力尋找適宜屏蔽輻射且可以充當航天器主體結構的材料。」

NASA正在開發的一種材料有望完成這兩大任務：氫化硝化硼納米管（又名氫化BNNT）是由碳、硼和氮元素組成的微小納米管，而氫原子撒布在納米管之間空蕩蕩的區域里。硼還非常擅長吸收次級中子，這樣氫化BNNT成為了屏蔽輻射的理想材料。

蒂博說：「這種材料強度很高，甚至在高溫下依舊如此，因此它是航天器結構的理想材料。」

這份計算機模擬圖是基於NASA的火星大氣與揮發物演化（MAVEN）探測器的數據繪製的，展示了流動的太陽風與火星高層大氣之間的相互作用。MAVEN正在採集火星空間環境的信息，這些信息對於21世紀30年代載人火星任務的規劃來說將是關鍵。點擊閱讀更多關於MAVEN大氣粒子測繪的信息（圖片提供：X. Fang, University of Colorado, and the MAVEN science team）

引人注目的是，研究者已經使用BNNT成功製造了線團，因此它具有足夠的彈性，可以織成航天服的材料，哪怕在飛行期間或者在嚴酷的火星表面上進行太空行走時，它都可以為宇航員提供顯著的輻射防護。雖然氫化BNNT仍舊處在開發測試階段，但它有望成為火星航天器、居住區、車輛以及宇航服使用的關鍵結構和屏蔽材料之一。

物理屏蔽並非讓粒子輻射不會抵達宇航員的唯一選擇。科學家正在探索建造力場的可能性。力場不僅僅只是科學幻想。與地球磁場保護我們免遭高能粒子之害一樣，相對較小的局域化電場或磁場只要足夠強且形態合適，也可以在航天器或居住區周圍形成防護泡。當前為了形成這樣的大尺度力場，所需的能源與結構材料將是無法承受的，因此為了讓它們變得可行，還需要更多的工作。

健康風險也可以通過可行的方式得以減低，如在航天器或火星居住區上划出專門的一塊區域充當輻射風暴的避難所；準備號太空行走與研究方案，使身居重度防護的航天器或居住區之外的時間減到最少；同時還有保證宇航員在輻射風暴到來之時可以快速返回室內。

降低輻射風險還可以在人體水平上得以實現。雖然現在距離這一步還比較遠，但某種可以部分或全部抵消輻射對健康產生的影響的藥物會讓安全往返火星的旅途規劃變得容易很多。

佩里什說：「最終解決輻射風險的方案將會結合多個方面。解決方案的一部分是我們手頭已有的技術，如富氫材料；不過另一部分將是最前沿的概念，我們還沒有想到它們。」

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