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美国科学家研发 “金钟罩”

北京科技报 2005-02-18

　　1969年7月“阿波罗”号宇宙飞船将人类成功地带上月球，实现了人类自古以来就梦寐以求的登月美梦。但很多专家认为，这是巨大的冒险，在“阿波罗”6次登月过程中，如果任何一次遇到一个重大辐射事件，执行任务的宇航员都将遭遇灭顶之灾。目前，美国航空航天局的专家正在研发未来登月宇航员抵御宇宙辐射的工具，以防止太空悲剧的发生。

　　据美国空间科技网近日报道，人类要在地球以外的星球长期居住，宇宙辐射是一大致命威胁。美国航空航天局赞助的研究小组正在以月球为研究对象，研发未来登月宇航员防范宇宙辐射侵害的工具。这个构想对人们来说并不陌生，科幻电影中常有类似的辐射防护屏障，它通常被描绘成一种半球形的透明“玻璃罩”。然而在现实中，科学家们更倾向于使用“多层能量防护场”来抵御宇宙辐射。如果防护成功，这种辐射防护屏可保护宇航员在脱离地球磁场的太空飞行期间，免受长期的、可致命的辐射危害。

　　宇宙辐射可增加宇航员患癌的危险

　　“人类要在月球上居住和进行长时间太空探索，需要解决的一个大问题就是太空辐射。”美国航空航天局宇宙辐射健康组织专家弗兰克?古森诺塔表示，“目前航天界已清楚有多少种、多大剂量的射线，正在月球的上空等着宇航员。但是现在尚不知道，当人体接触到它们后，究竟会引起多大的麻烦。”太深空中来往穿梭着大量来自于太阳风的高能质子流、来自于黑洞新生期间产生的伽马射线暴以及各种恒星爆炸中产生的宇宙射线。由于地球大气层的屏蔽效应，到达地面的辐射剂量很小，对生活在地球上的人基本没有危害。而在月球上，由于失去了大气层的保护作用，宇航员如果不具备有效的辐射防护，可能受到致命伤害。

　　美国航空航天局曾以致癌程度来衡量与评估辐射的危险度。一个无吸烟不良嗜好的40岁的健康美国人，他们最终因癌症而死亡的几率是20%。如果他旅行到了太空，这个危险的几率将上升。科学家们研究了在60多年前日本广岛原子弹爆炸中幸存下来的受过大剂量辐照人群患上癌症的情况后，得出这样的结论：在月球上执行一项达1000天时间的任务后，患癌的危险可能增加至19%。这就意味着，才40来岁的宇航员回到地球后，在以后的生活中将面临高达20% + 19% = 39%的患癌危险。这是令人难以接受的。一些曾在太空穿行的宇航员曾对这种宇宙射线辐射有所体验：他们闭上眼睛时曾感受到宇宙射线像火花一样在他们的视网膜上闪耀。研究表明，这些辐射对人眼有着极大损害，由于辐射剂量不是太大，当时没有体现出来，二十多年后，有几位宇航员因为眼睛发生病变而患上了白内障。弗兰克?古森诺塔指出，登上月球的“阿波罗”号宇航员在不具完备的防护之下，仍能保持良好状态，主要是运气使然。在“阿波罗”6次登月过程中，只要任何一次遇到一个大的辐射事件，执行任务的宇航员都会遭遇灭顶之灾。所幸，“阿波罗”的成员最多只在月球上停留了几天时间。

　　建立球形静电辐射防护屏，抵御高能粒子的袭击

　　在月球上，对宇航员来说最大的威胁还是银河系宇宙射线（GCRs），它们是一些从遥远的超新星爆炸中产生的粒子，被加速到了接近光速。这些粒子中最危险的又数重离子核，如离子化的铁原子核，它们的能量（百万以上电子伏特）比来自于太阳风的高速质子的能量（几十到几百电子伏特）可要高多了。

　　这样的高能粒子像微小的加农炮弹珠，轻而易举地穿透金属外壳，钻破人的皮肤，打断细胞中遗传物质DNA的双链，毁坏基因甚至杀死细胞。现在，该研究小组正在寻找安置那些不同尺寸的球形大型电场发生器的方案，以建立一个静电辐射防护屏来抵御这种以银河系宇宙射线形式在宇宙中穿梭的高能粒子。

　　当前的设计是，采用带有微弱负电荷的球体分布在防护屏外围，以此过滤电子；而带有强大正电荷的发生器聚集在中心地带，则使高能质子偏离。这个静电辐射防护屏可通过制造相当于地球大气一般的强力环绕磁场以抵御放射粒子。

　　但是目前的技术难题在于，安置一定数量的球体来建立一个综合电场，其强度要足以消除辐射，却又要不至于剥离月球基地建筑或周围物质的电子。因此，需要一个40米高的高杆，必须保证发生器处于安全的水平距离。此外，研究人员认为，球形发生器还可与贴近地面的平面静电防护屏结合，防止发生器表面吸附月球灰尘，妨碍工作。对于这个防护屏所需的能量，研究人员目前没有计算出所需能量值。根据科学家过去进行的研究，这个数字将大得惊人。美国航空航天局的物理学家罗伯特?扬奎斯特指出：“真正的问题在于，这样的防护屏需要怎样的能量水平。如果电流过大，方案将不可行。”

　　用“月球砖”建造防辐射的掩护所

　　为了让这种静电场在月球上效力最佳化，研究者还设想了一个将辐射防护分层的办法，选择月球上的物质，作为次级防护屏。“因为重量的考虑，我们不能把大多数材料作为长期的掩蔽所。所以我们正在做一件事―――以当地发现的元素做辐射屏蔽材料。”美国航空航天局兰勒研究中心专家梯彪特认为一个可能的解决办法是“月球砖”。

　　梯彪特解释说：“宇航员可以用月球本土适用的材料生产防辐射砖，并用它们建造掩护所。比如说，它们可以用覆盖月球表面的沙一样的‘风化层’和就地加工的水与二氧化碳的聚合物混合起来，这两种东西在月球上都很丰富。用微波将这种混合物调匀，做成看起来像塑料的砖块，它比优质辐射屏蔽还要好一倍。”研发小组认为，此法非常实用，届时宇航员可用很少的能量和设备快速地制造这些砖块，然后可用这些砖块轻松地建造半圆形次级防护屏。

　　用新型聚乙烯建造防辐射内核

　　此外，研究小组专家还希望建立一个防辐射的优质内核，以提高防御能力。现在科学家正对新型聚乙烯寄予厚望，聚乙烯的主要优点是轻质和富含氢，能有效吸收宇宙辐射，比以前用于制造阿波罗太空船指令舱的金属铝还能多吸收20%的宇宙射线。

　　新型聚乙烯的制作工艺与制作攻击直升机防弹装甲板的工艺相类似。为了制作这样的“铠甲”，由200~300层互相叠放在一起的聚乙烯薄膜制成的“装甲砖块”要在氮气中经受热冲压，热冲压时温度约为80℃，压力为7千克/平方厘米。

　　马歇尔太空飞行器研究中心目前制造的一种超强聚乙烯材料比铝还要硬十倍，并且也要轻许多。专家们认为，超强聚乙烯材料是用于建造防护层内核的最好材料，但是它的造价非常昂贵，目前研究者正致力于降低其成本。

　　与此同时，还有一些其它方案旨在运用磁场、等离子体、电子流等方法来开发防护屏。参与研究的肯尼迪宇航中心科学家约翰?莱恩说：“不管这些方案是否为静电防护屏，这都是我们必须关注的研究领域。如果这种方法不好，那至少我们可以弄清楚为什么不好。约翰?莱恩和他的同事们认定，从现有的相关技术条件及其发展前景看，屏蔽宇宙射线已不是一个不可能的任务，关键在于通过可靠的试验作出最好的选择，为人类未来的太空生活打造一道疏而不漏的安全防线。

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