地球的大氣層和磁場可以保護我們(men) 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

　　無論是防曬霜還是鈣補充劑，都不足以為(wei) 前往火星的太空旅行者提供足夠的保護，他們(men) 依然要麵臨(lin) 輻射和外太空失重的影響。

　　2021年5月，SpaceX公司將其星艦SN15原型機發射到了與(yu) 商用客機相當的巡航高度，然後安全著陸。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(men) 能像離開地球時一樣健康就更是一項艱巨的挑戰。

　　據估計，前往火星的旅程長達7個(ge) 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(yan) 重的輻射與(yu) 零重力環境

　　地球的大氣層和磁場可以保護我們(men) 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。因此，他們(men) 乘坐的飛船需要提供某種輻射屏蔽。

　　根據來源的不同，輻射可能由不同的粒子組成，能量不一，會(hui) 對人類的DNA造成不同程度的風險。例如，太陽射出的高能粒子與(yu) 銀河係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。

　　那麽(me) ，前往火星的宇航員會(hui) 受到多少輻射？這種輻射劑量是在地球上的多少倍？美國德雷克大學的物理學家阿塔納西奧斯·彼得裏迪斯表示，情況很令人擔憂。根據他的團隊計算，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）的範圍內(nei) 。作為(wei) 參考，美國核管理委員會(hui) 將放射性職業(ye) 工作者一年累積的輻射劑量限製0.05Sv（即50mSv）。

　　太陽大氣層的變化也會(hui) 對太空中獲得的輻射量產(chan) 生影響。例如，大約11年的太陽活動周期會(hui) 影響太陽發出的輻射量。不過，由於(yu) 太陽產(chan) 生的輻射與(yu) 來自外太空的宇宙射線之間可能會(hui) 有複雜的相互作用，因此可能不值得圍繞這些周期來安排發射時間。

　　美國國家航空航天局（NASA）駐休斯頓的輻射分析專(zhuan) 家克裏·李說：“輻射暴露受到相當多因素的影響，試圖圍繞太陽活動周期製定計劃就像試圖把握股市的買(mai) 賣時間，通常會(hui) 以虧(kui) 損告終。”

　　如果時間足夠長，失重也會(hui) 對人體(ti) 造成嚴(yan) 重損傷(shang) 。據研究證實，太空站宇航員的承重骨骼中每個(ge) 月都會(hui) 損失1%到1.5%的礦物質密度。他們(men) 的肌肉量往往也會(hui) 減少，即使他們(men) 所做的運動與(yu) 在地球上一樣多。

　　“太空飛行存在很多風險，但我不認為(wei) 這是火星任務的絆腳石，”克裏·李說，“（NASA）已經有幾名宇航員在太空中執行了將近一年的任務。此外，有證據表明相應的對策可以減緩和阻止在太空中肌肉量和骨密度的損失。”

　　對於(yu) 輻射防護與(yu) 人工重力，目前已經有了幾種工程解決(jue) 方案。德雷克大學的一個(ge) 本科生研究團隊正嚐試計算這些方案各自的優(you) 勢和不足。他們(men) 將這個(ge) 項目稱為(wei) “磁電離宇宙飛船星際旅行防護盾”，簡稱MISSFIT。

　　“比如說，如果想通過旋轉產(chan) 生人工重力，那你可能會(hui) 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，需要屏蔽輻射的範圍就越大，”MISSFIT項目負責人彼得裏迪斯說，“這其中總是有權衡的。”

　　MISSFIT項目旨在為(wei) 物理專(zhuan) 業(ye) 本科生提供進行原創研究的寶貴經驗。彼得裏迪斯說：“我們(men) 嚐試使它成為(wei) 一個(ge) 激動人心的項目，任何與(yu) 太空旅行有關(guan) 的事情都是激動人心的。”

　　旋轉飛船和防輻射護盾

　　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起來並創造向心力。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行節流控製，以提供重力，並在超過中點後就得“踩刹車”。考慮到燃料需求，這種方法可以說是完全不切實際。

　　對於(yu) 利用向心力的方法，宇宙飛船的旋轉半徑越大——可能會(hui) 采用環形結構——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射，可能需要在太空中組裝。與(yu) 此同時，為(wei) 更大的太空結構提供足夠的輻射防護也將更加困難。

　　“如果你願意的話，你可以用鉛把整個(ge) 飛船包裹起來，但它會(hui) 變得很重，這完全不切實際，”德雷克大學物理專(zhuan) 業(ye) 的本科生基根·芬格說，“這就是我們(men) 研究磁護盾的原因——試圖減輕重量。”

　　在2021年4月的美國物理學會(hui) 線上會(hui) 議上，基根·芬格和他的同學們(men) 討論了這一項目的進展。彼得裏迪斯說：“我們(men) 正在計算不同類型磁護盾的能量需求。還在研究磁場的不同配置，而不是標準的雙偶極係統。”磁護盾的形狀還可以進行調整，以更好地適應飛船上的生活區配置。

　　“我們(men) 還需要考慮我們(men) 需要防護的輻射級別和特定能量，”另一位參與(yu) 該項目的物理學專(zhuan) 業(ye) 本科生威爾·托馬斯說道。例如，物理防護盾、防護服和磁場的組合或許能最好地保護宇航員免受太空中不同類型的輻射。

　　為(wei) 了研究模擬重力對人體(ti) 的影響，該項目還將擴展至生物學專(zhuan) 業(ye) ，目標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(ti) 健康風險。

　　考慮到人體(ti) 的複雜性（例如心血管係統的複雜生理），模擬重力的不同方法可能會(hui) 有細微的差別。“例如，重力梯度和科裏奧利力對血液流動有什麽(me) 影響？”彼得裏迪斯說，“我們(men) 可以處理數學和計算，但作為(wei) 物理學家，我們(men) 不知道心血管係統是如何工作的，所以我們(men) 需要跨學科合作。在現實世界中，這些問題本身就是跨學科的。”

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