無論是防曬霜還是鈣補(bǔ)充劑，都不足以為前往火星的太空旅行者提供足夠的保護(hù)，他們依然要面臨輻射和外太空失重的影響。
▲ 地球的大氣層和磁場可以保護(hù)我們免受有害的太空輻射，但前往火星的旅行者缺乏這樣的保護(hù)
2021 年 5 月，SpaceX 公司將其星艦 SN15 原型機(jī)發(fā)射到了與商用客機(jī)相當(dāng)?shù)难埠礁叨?，然后安全著陸。該公司稱，未來的火箭將能夠一次搭載 100 名乘客前往月球，甚至火星。然而，把火箭發(fā)射到火星是一回事，把乘客活著送到火星則是另一回事，確保他們能像離開地球時一樣健康就更是一項艱巨的挑戰(zhàn)。
據(jù)估計，前往火星的旅程長達(dá) 7 個月，除了攜帶足夠的燃料、氧氣、水和食物，宇宙飛船還還必須提供一些在地球上平凡無奇，但在太空中卻能保證旅行者健康的“奢侈品”。
嚴(yán)重的輻射與零重力環(huán)境
地球的大氣層和磁場可以保護(hù)我們免受有害的太空輻射，但前往火星的旅行者缺乏這樣的保護(hù)。因此，他們乘坐的飛船需要提供某種輻射屏蔽。
根據(jù)來源的不同，輻射可能由不同的粒子組成，能量不一，會對人類的 DNA 造成不同程度的風(fēng)險。例如，太陽射出的高能粒子與銀河系外宇宙射線的輻射就非常不同。因此，宇宙飛船需要不一樣的屏蔽手段。
那么，前往火星的宇航員會受到多少輻射？這種輻射劑量是在地球上的多少倍？美國德雷克大學(xué)的物理學(xué)家阿塔納西奧斯?彼得里迪斯表示，情況很令人擔(dān)憂。根據(jù)他的團(tuán)隊計算，往返火星期間宇航員輻射暴露的高值估計在好幾希沃特（Sv）的范圍內(nèi)。作為參考，美國核管理委員會將放射性職業(yè)工作者一年累積的輻射劑量限制 0.05Sv（即 50mSv）。
太陽大氣層的變化也會對太空中獲得的輻射量產(chǎn)生影響。例如，大約 11 年的太陽活動周期會影響太陽發(fā)出的輻射量。不過，由于太陽產(chǎn)生的輻射與來自外太空的宇宙射線之間可能會有復(fù)雜的相互作用，因此可能不值得圍繞這些周期來安排發(fā)射時間。
美國國家航空航天局（NASA）駐休斯頓的輻射分析專家克里?李說：“輻射暴露受到相當(dāng)多因素的影響，試圖圍繞太陽活動周期制定計劃就像試圖把握股市的買賣時間，通常會以虧損告終。”
如果時間足夠長，失重也會對人體造成嚴(yán)重?fù)p傷。據(jù)研究證實，太空站宇航員的承重骨骼中每個月都會損失 1% 到 1.5% 的礦物質(zhì)密度。他們的肌肉量往往也會減少，即使他們所做的運動與在地球上一樣多。
“太空飛行存在很多風(fēng)險，但我不認(rèn)為這是火星任務(wù)的絆腳石，”克里?李說，“（NASA）已經(jīng)有幾名宇航員在太空中執(zhí)行了將近一年的任務(wù)。此外，有證據(jù)表明相應(yīng)的對策可以減緩和阻止在太空中肌肉量和骨密度的損失?！?/p>
對于輻射防護(hù)與人工重力，目前已經(jīng)有了幾種工程解決方案。德雷克大學(xué)的一個本科生研究團(tuán)隊正嘗試計算這些方案各自的優(yōu)勢和不足。他們將這個項目稱為“磁電離宇宙飛船星際旅行防護(hù)盾”，簡稱 MISSFIT。
“比如說，如果想通過旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生人工重力，那你可能會想讓宇宙飛船的半徑盡可能大，但半徑越大，需要的磁場就越大，需要屏蔽輻射的范圍就越大，”MISSFIT 項目負(fù)責(zé)人彼得里迪斯說，“這其中總是有權(quán)衡的。”
MISSFIT 項目旨在為物理專業(yè)本科生提供進(jìn)行原創(chuàng)研究的寶貴經(jīng)驗。彼得里迪斯說：“我們嘗試使它成為一個激動人心的項目，任何與太空旅行有關(guān)的事情都是激動人心的?！?/p>
旋轉(zhuǎn)飛船和防輻射護(hù)盾
在火星之旅中，模仿重力條件的唯一實際方法就是讓宇宙飛船旋轉(zhuǎn)起來并創(chuàng)造向心力。理論上，你可以通過讓飛船加速的方式來模擬重力，但這意味著要對火箭燃料進(jìn)行節(jié)流控制，以提供重力，并在超過中點后就得“踩剎車”?？紤]到燃料需求，這種方法可以說是完全不切實際。
對于利用向心力的方法，宇宙飛船的旋轉(zhuǎn)半徑越大 —— 可能會采用環(huán)形結(jié)構(gòu) —— 就越能感受到類似地球的重力。但是，這樣的宇宙飛船也將更難發(fā)射，可能需要在太空中組裝。與此同時，為更大的太空結(jié)構(gòu)提供足夠的輻射防護(hù)也將更加困難。
“如果你愿意的話，你可以用鉛把整個飛船包裹起來，但它會變得很重，這完全不切實際，”德雷克大學(xué)物理專業(yè)的本科生基根?芬格說，“這就是我們研究磁護(hù)盾的原因 —— 試圖減輕重量?！?/p>
在 2021 年 4 月的美國物理學(xué)會線上會議上，基根?芬格和他的同學(xué)們討論了這一項目的進(jìn)展。彼得里迪斯說：“我們正在計算不同類型磁護(hù)盾的能量需求。還在研究磁場的不同配置，而不是標(biāo)準(zhǔn)的雙偶極系統(tǒng)?！贝抛o(hù)盾的形狀還可以進(jìn)行調(diào)整，以更好地適應(yīng)飛船上的生活區(qū)配置。
“我們還需要考慮我們需要防護(hù)的輻射級別和特定能量，”另一位參與該項目的物理學(xué)專業(yè)本科生威爾?托馬斯說道。例如，物理防護(hù)盾、防護(hù)服和磁場的組合或許能最好地保護(hù)宇航員免受太空中不同類型的輻射。
為了研究模擬重力對人體的影響，該項目還將擴(kuò)展至生物學(xué)專業(yè)，目標(biāo)是找到一種策略組合，能夠最大限度地降低深太空旅行帶來的整體健康風(fēng)險。
考慮到人體的復(fù)雜性（例如心血管系統(tǒng)的復(fù)雜生理），模擬重力的不同方法可能會有細(xì)微的差別?！袄纾亓μ荻群涂评飱W利力對血液流動有什么影響？”彼得里迪斯說，“我們可以處理數(shù)學(xué)和計算，但作為物理學(xué)家，我們不知道心血管系統(tǒng)是如何工作的，所以我們需要跨學(xué)科合作。在現(xiàn)實世界中，這些問題本身就是跨學(xué)科的?！?/p>
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