防辐射背心通过阿尔忒弥斯 1 号月球实测，可为航天员抵御深空辐射

IT之家 8 月 13 日消息，一项新研究发现，一种用于抵御辐射的防护背心未来或许能够保护宇航员免受太阳突发强烈辐射的伤害。距离最后一次阿波罗任务已经过去 50 多年，美国宇航局（NASA）的“阿尔忒弥斯”计划正准备让人类重返月球。要实现这一目标，首先必须保护宇航员免受太阳辐射的伤害，尤其是太阳风暴产生的强烈且难以预测的辐射。由于重量限制，在整个航天器外覆盖一层足够厚、能够产生明显防护效果的辐射屏蔽材料仍然不切实际。不过，让宇航员穿上防护服装或许能够提供一定帮助。在这项新研究中，研究人员测试了一款名为 AstroRad 的防护背心。这款背心由以色列初创公司 StemRad 设计，并得到以色列航天局和航空航天巨头洛克希德 · 马丁的支持。其设计目的，是保护宇航员免受太阳爆发产生的太阳粒子事件（SPE）伤害。“太空中的辐射是无法避免的，而一次重大的太阳粒子事件就可能显著增加宇航员一生罹患辐射诱发癌症的风险。”研究共同作者、StemRad CEO 兼联合创始人 Oren Milstein 告诉 Space.com，“如果能够大幅降低这部分风险，个人辐射防护装备对于未来的月球和火星任务可能尤其重要。”在辐射防护方面，铅非常擅长阻挡 X 射线和伽马射线等有害辐射。不过，对于那些能够高速穿越太空、并对人体造成伤害的高能粒子，铅的防护效果反而没有那么理想。例如，当高速高能电子，也就是所谓的 β 粒子撞击高密度的铅原子时，可能引发一连串 X 射线，而这些 X 射线造成的伤害甚至可能超过 β 粒子本身。如果中子撞击铅原子，还可能从原子核中撞出大量中子，从而进一步加剧辐射影响。AstroRad 采用的则是一种富含氢元素的高密度塑料。在各种元素中，氢原子单位原子拥有最高的电子密度，这有助于形成致密的屏障，阻挡进入人体的高能粒子。同时，普通氢原子不含中子，因此当中子撞击氢原子时，也不会产生类似撞击铅原子后出现的危险中子喷流。此外，AstroRad 所使用的塑料重量远低于铅，因此更适合用于制作可以穿戴的防护装备，也更加符合太空任务对重量的严格要求。研究人员将数千根六边形硬质塑料棒像鱼鳞一样组合在一起，制成了一种柔性防护服装。每件背心的重量约为 57 磅，也就是 26 千克。研究人员之所以选择制作背心，而不是覆盖全身的防护服或头盔，是因为“不同器官和组织对辐射的敏感程度存在很大差异，因此对身体各个部位采用完全相同的屏蔽强度，并不是最有效的方法”。研究共同作者、StemRad 太空探索首席科学家 Jordan Houri 告诉 Space.com，“与此同时，全身防护服也会更加难以穿戴和活动。”AstroRad 背心不同部位的屏蔽厚度，是根据其下方器官对辐射的敏感程度设计的。Houri 表示，与将相同数量的屏蔽材料均匀分布在全身相比，这种针对不同器官进行重点防护的策略，可以额外降低约 30% 的人体辐射剂量。研究人员在 2022 年底 NASA 无人驾驶“阿尔忒弥斯 1 号”月球任务期间测试了这款背心。他们使用了两个极其复杂的人体模型，也就是所谓的“人体仿真体”。这些人造躯干由密度与人体组织、骨骼和器官相近的塑料制成，并且每个模型内外都安装了超过 5,600 个辐射传感器。两个仿真体均按照成年女性设计，因为此前研究发现，女性的乳房和卵巢尤其容易受到辐射损伤。“预计女性面临辐射诱发癌症的风险更高。”Milstein 表示，“针对性辐射屏蔽有助于缩小男女宇航员之间的这种风险差距。”由于两个仿真体模拟的是女性，因此研究人员也为它们取了女性名字：Zohar 和 Helga。“Helga 是由德国航空航天中心提供的，这是一个传统的德国名字。”Milstein 说，“Zohar 则由以色列航天局提供，并通过一项面向公众的活动选出了这个名字。Zohar 是一个传统的希伯来语名字，意思是‘光辉’，我们认为这个名字特别合适。”Zohar 和 Helga 都乘坐 NASA 的“猎户座”飞船飞行。Zohar 穿着 AstroRad 防护背心，而 Helga 没有穿。尽管“猎户座”飞船在为期 26 天的月球轨道往返任务中没有遭遇明显的太阳爆发，但研究人员可以根据两个仿真体穿越环绕地球的内范艾伦辐射带时所受到的辐射剂量，推算宇航员在太阳爆发期间可能遭遇的太阳辐射。研究人员分析过去发生的太阳粒子事件后发现，AstroRad 背心可以显著降低人体受到的辐射剂量。例如，对于 1972 年 8 月发生的一次太阳粒子事件，背心可以将辐射剂量降低近 60%。“我们最初预计降低幅度会接近 45%，所以第一次看到这个结果时，我们还以为必须回去检查是不是哪里出了错误。”Houri 说，“但详细分析最终表明，AstroRad 针对最容易受到辐射伤害的器官和组织进行重点防护的方法，比我们此前预测的效果还要好。”这样的辐射剂量降低幅度，相当于可以让宇航员免受相当于最多 193 天深空辐射暴露的影响。“最重要的意义在于，AstroRad 有望帮助解决限制人类长期开展地外探索的一项主要健康挑战。”Milstein 表示。不过，宇航员并不会在整个任务期间一直穿着 AstroRad。Houri 表示：“AstroRad 最初是作为应对太阳粒子事件的紧急措施开发的，因此宇航员只会在辐射水平升高时穿戴它，通常持续几个小时或几天。”不过，Milstein 表示：“虽然宇航员不需要在整个任务期间一直穿着它，但我们设计这款背心时考虑到了连续穿戴数小时的需求。”在国际空间站进行背心测试期间，“甚至有几名宇航员穿着它睡觉。”Houri 表示，AstroRad 背心提供的辐射防护水平，与“猎户座”飞船内部的防辐射避难舱大致相当，但宇航员穿着背心后可以离开避难舱，继续执行关键任务。“AstroRad 可以单独使用，也可以与避难舱配合使用。但它的一大优势在于，宇航员可以在机舱内自由活动、执行必要任务的同时继续获得辐射防护，而不必始终待在避难舱内。”目前，研究人员正在进一步研究，能否利用航天器上的材料直接在太空中制造辐射屏蔽材料。例如，Milstein 表示，他们与美国佛罗里达州航空航天公司 Redwire 合作，“已经证明可以在国际空间站上利用回收的聚乙烯，通过 3D 打印制造 AstroRad 的部分组件”。IT之家注意到，研究人员于 8 月 12 日在《科学进展》（Science Advances）杂志在线发表了这项研究成果。