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通往火星路上的隐形杀手“辐射”

  登陆火星一直是人类的梦想,无数科学家、工程技术人员正在默默耕耘、积极探索,为实现这个伟大梦想而不懈努力。但是,通往火星的道路并不平坦,其艰巨程度远远超出人们的想象。因为这意味着不仅需要投入巨额资金,突破大量关键技术,研制出可靠的火箭和飞船,还要保证火星航天员的安全和健康。

  前往火星的发射窗口,大约每两年才有一次。从地球出发到达火星,单程需要半年的时间,从火星返回地球也需要半年左右的时间,因此航天员执行一次火星任务至少需要三年时间。

  三年多的火星任务中,航天员需要消耗大量的食物、氧气和饮用水。如果乘组为6名航天员,每人每天消耗0.9千克氧气、0.6千克食品和2.5千克水,如此一来,仅此三项三年时间总消耗量就达26 280千克。因此,火星飞船必须采用再生式生命保障系统,对水和氧气进行再生和循环,甚至应通过受控生态系统,实现食物的在轨生产。此外,前往火星,运载火箭必须要有足够推力,飞船等设备具有高可靠性、易于维修,以保证飞行过程中一旦出现故障,航天员能对乘坐的飞船进行维修。

  登陆火星过程中,航天员会遇到上述的诸多技术挑战。然而,最大的挑战还是如何保证航天员的安全和健康。前往火星的漫漫旅途中,航天员会长期处于失重状态,这种状态会使航天员产生肌肉萎缩、骨钙丢失、立位耐力降低等问题,影响航天员的健康。狭小的生存环境,也会给航天员的心理带来严峻考验。人类经过40多年的载人航天实践,特别是通过对“和平”号空间站和国际空间站的使用,摸索出多种行之有效的对抗措施,航天员最长的单次太空停留时间已达438天,为前往火星所须面对的挑战积累了丰富的经验。

  我们知道,在地球低轨道如国际空间站进行载人航天飞行时,辐射对航天员的健康影响不大。这是因为地球周围存在一个磁场,能够俘获大部分宇宙射线,对航天员的健康起到很好的保护作用。只有当发生太阳质子事件时,才需要对航天员进行特别辐射防护。但是,如果航天员离开地球前往火星,地球磁场的保护作用鞭长莫及,宇宙射线的辐射就会对航天员的身体健康带来巨大威胁。而关于长期辐射对人体的影响、相应的对抗措施,人类还没有多少经验。因此,在火星旅行过程中,航天员健康的最大威胁并不是失重,而是宇宙辐射。
  
宇宙辐射  
  
  宇宙辐射主要包括电磁辐射和电离辐射。我们常说的无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线等就属于电磁辐射,它们贯穿物体的能力差,对人体的危害相对较小;而电离辐射则有相当强的贯穿物质的能力,可以使物体材料和生物细胞受到损害,对人体的危害非常大。

  前往火星的旅途中,航天员遇到的电离辐射主要有两种:银河宇宙射线(Galactic Cosmic Rays, GCR)和太阳射线。

  银河宇宙射线的来源还不清楚,但可以肯定,它们来自太阳系外,具有各向同性,也就是说,它们来自各个方向。银河宇宙射线还是一种高能带电粒子流,粒子的能量可以高达1 020eV。这种粒子的主要成分是质子(约占85%)、α粒子(约占13%)以及原子序数大于2的元素的原子核(约占2%)。在原子序数大于2的原子核中,有一类称为高能重离子,不仅原子序数大,而且能量极高,在银河宇宙射线中危害最大。它不仅能穿透载人飞船座舱的舱壁,而且击中人体后能引起组织器官的严重损伤。银河宇宙射线的最大通量为每秒钟每平方厘米4个质子、0.4个氦离子、0.04个高能重离子,平均粒子通量为每秒钟每平方厘米2.5个粒子。人体细胞的细胞核横截直径大约为100微米,如果没有任何防护,每个细胞核平均每3天就会被质子击中一次,每月被氦离子击中一次,每年被高能重离子击中一次。

  太阳射线是来自太阳质子事件所发射的带电粒子。太阳会持续产生低能量粒子流,主要成分为质子,也就是我们所熟悉的太阳风。太阳风不会产生很大的辐射危害。当太阳表面出现大耀斑时,会发射大量高能带电粒子,这种现象称为太阳质子事件。由于太阳质子事件的辐射能量很高,因此对航天员有很大危害。太阳质子事件发射的带电粒子绝大多数是质子,其次是α粒子,原子序数大于3的粒子很少。有些太阳质子事件中观测到碳、氮和氧的重核,数量仅为α粒子的1/6。另外还可以观测到原子序数为22~30的超重核,不过数量更少。太阳质子事件可持续数小时,甚至持续数天。太阳质子事件的发生和强度与太阳活动周期有关,太阳耀斑的数量和位置呈现出11年的周期性。在太阳活跃的极大年,发生太阳质子事件的可能性较大。因此根据太阳活动周期,可对太阳质子事件作一定程度的预测。
  
辐射对身体的影响
  
  银河宇宙射线和太阳质子事件产生的都是初级粒子。当这些初级粒子穿过人体时,还会产生大量的次级粒子,这些次级粒子导致细胞生物效应,引起DNA损伤和突变。因此,研究辐射对火星航天员的危害时,既要考虑初级粒子,也要考虑次级粒子。

  辐射的生物效应主要分为早期效应和远期效应。火星飞行过程中,早期效应的发生概率比较低。一般认为,早期效应主要来自太阳质子事件。如果发生太阳质子事件时,辐射剂量很大,而航天员又缺乏足够的防护措施,就可能发生早期效应。早期效应主要有皮肤红肿、脱发、辐射病、急性辐射综合症等。辐射强度达到6Gy时,皮肤出现红肿和脱发,辐射强度达到15~20Gy时,会发生湿性脱皮。当1天内受到的辐射剂量超过1Sv时,数小时内就会发生恶心和呕吐的辐射病症状。急性辐射综合症一般发生在受到辐射后的2~4周,辐射剂量为1.5~2.0Sv时,出现骨髓抑制;辐射剂量为3Sv时,死亡率为10%;辐射剂量为4Sv时,死亡率为90%。如果航天员遭受辐射后,得到及时治疗,早期效应造成的疾病可能痊愈,但是会留下长期效应。如果放射病情严重,又未得到及时有效的治疗,就会有生命危险。
  
  由于火星载人飞行过程中,发生早期效应的概率较低,人们更关注远期效应。远期效应主要包括:癌症、中枢神经损伤和白内障等。癌症是科学家最为关注的,对航天员的健康威胁也最大。但是,目前关于癌症的风险分析,主要是根据二战日本原子弹幸存者调查得出,还没有人体试验数据。科学家用老鼠进行了大量的动物试验,据此推测对人的影响,推算人体辐射安全剂量标准。

  研究人员认为,火星飞行过程中,妇女遭遇的风险更大。由于乳房和卵巢的缘故,女性航天员面临的危险几乎是男性航天员的两倍。

  人们还担心,火星飞行过程中,如果没有适当的防护措施,宇宙辐射、长期失重和低重力的生理影响,可能会使航天员完全丧失生育能力,因此,有人甚至建议火星航天员选拔50岁以上的人,因为这个年龄段已经过了生育年龄。
  
如何防护辐射
  
  首先,在执行火星飞行任务时,根据空间天气预报,尽量避开太阳质子事件,选择最佳飞行时间,减少航天员遭受大剂量宇宙辐射的风险。载人火星时间选择在太阳活动的极小年,可以避免大的太阳质子事件导致的大剂量辐射暴露。

  人体对辐射的反应存在很大的个体差异,不同的人对同样剂量的辐射,身体反应有很大不同。因此,选拔火星航天员时,应选拔那些对辐射不敏感的航天员。这样,在相同的辐射暴露情况下,航天员受到的伤害会小些。

  对航天员进行屏蔽是解决辐射问题最根本的方法。屏蔽包括主动屏蔽和被动屏蔽。主动屏蔽是通过在航天器周围建立强电磁场,使带电粒子偏离飞行器,从而达到屏蔽的目的。其原理类似于地球磁场对地球的保护作用。

  事实上,NASA已经开展了类似研究,探索利用球体“电场”对空间辐射进行防护,并提出在月球基地建设过程中,利用电场屏蔽,防护宇宙辐射。他们设想,在月球基地上方安装6个可充气的导电球体,随后对球体进行充电,达到极高的静电势—100兆伏或更高。

  被动防护是指用航天器本身的材料或其它防辐射材料做成的屏蔽。由于银河宇宙射线具有各向同性,辐射来自各个方向,因此需要防护来自各个方向上的射线。银河宇宙射线中的高能重粒子具有非常强的贯穿能力,有效屏蔽各个方向上的辐射,材料要有相当的厚度,这会使飞船极端笨重,甚至根本不可行。

  实际上,地球早期生命最早面对的就是辐射问题,一方面需要吸收太阳光的能量,进行光合作用,另一方面,还要防护太阳光中有害射线的伤害,如紫外线等。这些早期生命在长期进化过程中,形成了很多辐射防护方法,如防护层、自我修复、脱水干燥等。通过仿生学,人类也许会找到很好的辐射防护方法。让人体完全脱水,变成像木乃伊一样,躲避长期星际飞行中的辐射伤害,到达目的地后,再进行复水,使人复活,这也许有太多的科幻成份。但是科学家确实在考虑,通过基因工程技术,制造出超级航天员,使航天员体内的细胞在遭受辐射后,能进行自我修复。

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