(Inside Science) — 今年 5 月，SpaceX 成功发射了其 Starship SN15 原型机，使其达到了商业客机的巡航高度，然后安全着陆。该公司声称，未来版本的火箭将能够一次运载 100 名乘客前往月球，甚至火星。
然而，将火箭送往火星是一回事，活着将人送往火星是另一回事。而要确保人们在旅途中能保持健康，更是另一回事。
除了为长达七个月的火星之旅（如果想回程，还需要更多）准备足够的燃料、空气、水和食物外，我们在这里享受的许多舒适生活，在飞船上如果想在漫长的飞行中保持健康，也必须有所体现。
严重的晒伤和零重力
地球的大气层和磁场保护我们免受有害的太空辐射，但前往火星的乘客将失去这种保护。因此，他们的飞船需要提供某种形式的辐射屏蔽。
根据辐射的来源不同，它可能由不同的粒子组成，具有不同的能量，需要不同的屏蔽方式，并对我们易受辐射的 DNA 构成不同程度的危险。例如，来自太阳喷射出的高能粒子的辐射与来自我们星系外的宇宙射线的行为截然不同。
那么，与在地球上相比，前往火星的宇航员会经历多少倍的辐射呢？
根据德雷克大学物理学家 Athanasios Petridis 的说法，这足以引起关注。根据他团队的计算，前往火星往返旅途中的辐射暴露估计高达数希沃特（Sv）。作为参考，美国核监管委员会已将从事辐射工作的工人的年剂量限值设定为 0.05 Sv。
太阳活动也会影响在太空中的辐射量。例如，11 年的太阳周期会影响太阳发出的辐射量。然而，由于太阳辐射和来自外太空的宇宙射线之间复杂的相互作用，可能不值得围绕这些周期来安排发射时间。
“辐射暴露存在许多相互竞争的因素，试图根据太阳周期来安排就像试图把握股市一样，结果通常是亏损，”位于德克萨斯州休斯顿的 NASA 辐射分析师 Kerry Lee 说。
长时间的失重也会对人体造成严重影响。在空间站中的宇航员已被证明每月会损失其承重骨骼中 1% 到 1.5% 的矿物质密度。即使在与地球上相同的运动量下，他们也倾向于肌肉流失。
“太空飞行存在许多风险。我不认为这些是火星任务的障碍，”Lee 说。“[NASA] 曾有多名机组人员执行过近一年的太空任务。此外，还存在一些已证明能减缓和停止在太空中肌肉质量和骨密度流失的对策。”
德雷克大学的一个本科生研究团队，项目名称为“用于星际旅行的磁电离航天器屏蔽”（MISSFIT），正试图计算辐射屏蔽和人工重力不同工程解决方案之间的权衡。
“比如说，如果你想通过旋转来产生人工重力，你可能想让航天器的半径尽可能大，但半径越大，你需要更强的磁场来进行辐射屏蔽，”MISSFIT 项目负责人 Petridis 说。“总是有权衡取舍。”
该项目旨在为本科生提供宝贵的原创研究经验。“我们努力让它成为一个非常激动人心的项目，任何与太空旅行相关的事情都令人兴奋，”Petridis 说。
旋转地板和辐射屏蔽
在没有惊人的科幻级别突破的情况下，模仿重力去火星的唯一实用方法是旋转航天器并产生离心力。（理论上，你可以通过加速航天器来模拟重力，但这需要火箭持续提供推力以产生 G 力，并在过半程时刹车——考虑到燃料需求，这是一种完全不切实际的方法。）
对于离心力方法，旋转半径越大——例如，采用环形——就越能接近地球重力的感觉。但它也将更难发射，并可能需要在太空中组装。
为更大的结构提供足够的辐射屏蔽也将更加困难。
“我的意思是，如果你想，你可以用铅包裹整个航天器，但这会非常重，而且完全不切实际，”德雷克大学的本科物理专业学生 Keegan Finger 说。“这就是为什么我们在研究磁屏蔽——来尝试节省重量。”
Finger 和他的同学们在今年因持续的 COVID-19 大流行而虚拟举行的美国物理学会 2021 年 4 月会议上讨论了他们的项目进展。
“我们正在计算不同类型磁屏蔽的能量需求。我们也在研究不同磁场配置，而不是标准的双偶极系统，”Petridis 说。磁屏蔽的形状可以根据航天器内生活区配置进行定制。
“我们还需要考虑需要屏蔽的辐射水平和具体能量，”项目另一位物理学本科生 Will Thomas 说。例如，物理屏蔽、宇航服和磁场的组合如何才能最好地保护宇航员免受太空不同种类辐射的侵害。
该项目正在扩展，包括生物学专业，以考虑模拟重力对人体的影响。目标是找到一种策略组合，以最好地最大程度地降低深空旅行带来的总体健康风险。
模仿重力的不同方式可能存在细微差异，例如，关于我们心血管系统的复杂物理学。
“例如，重力梯度和科里奥利力对血流有什么影响？”Petridis 说。“你看，我们可以处理数学和计算，但作为物理学家，我们不知道心血管系统是如何工作的，所以我们需要跨学科合作。因为现实世界的问题就是这样，它们是跨学科的。”
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