Jest rok 2027, a Wizja eksploracji kosmosu NASA postępuje zgodnie z harmonogramem. Jednak w połowie podróży wybucha gigantyczny rozbłysk słoneczny, wyrzucając śmiertelne promieniowanie bezpośrednio na statek kosmiczny. Ze względu na badania przeprowadzone przez byłego astronautę Jeffreya Hoffmana i grupę kolegów z MIT w 2004 roku, pojazd ten posiada najnowocześniejszy nadprzewodzący system ekranowania magnetycznego, który chroni pasażerów przed śmiertelnymi emisjami słonecznymi.
Niedawno rozpoczęto nowe badania nad wykorzystaniem technologii magnesów nadprzewodzących do ochrony astronautów przed promieniowaniem podczas długotrwałych lotów kosmicznych, takich jak loty międzyplanetarne na Marsa, które są proponowane w obecnej wizji NASA dotyczącej eksploracji kosmosu.
Głównym badaczem tej koncepcji jest były astronauta dr Jeffrey Hoffman, który jest obecnie profesorem w Massachusetts Institute of Technology (MIT).
Koncepcja Hoffmana jest jedną z 12 propozycji, które zaczęły otrzymywać fundusze w zeszłym miesiącu od NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC). Każda z nich otrzymuje 75 000 $ na półroczne badania w celu przeprowadzenia wstępnych badań i zidentyfikowania wyzwań w ich opracowaniu. Projekty, które przejdą ten etap, kwalifikują się do 400 000 USD więcej w ciągu dwóch lat.
Koncepcja ekranowania magnetycznego nie jest nowa. Jak mówi Hoffman: „Ziemia robi to od miliardów lat!”
Ziemskie pole magnetyczne odbija promienie kosmiczne, a dodatkowa miara ochrony pochodzi z naszej atmosfery, która pochłania wszelkie promieniowanie kosmiczne, które przedostaje się przez pole magnetyczne. Zastosowanie ekranowania magnetycznego w statkach kosmicznych zostało po raz pierwszy zaproponowane na przełomie lat 60. i 70., ale nie było aktywnie realizowane, gdy plany długoterminowych lotów kosmicznych upadły na dalszy plan.
Jednak technologia tworzenia nadprzewodzących magnesów, które mogą generować silne pola w celu ochrony statku kosmicznego przed promieniowaniem kosmicznym, została niedawno opracowana. Nadprzewodzące układy magnetyczne są pożądane, ponieważ mogą wytwarzać intensywne pola magnetyczne przy niewielkim lub zerowym poborze mocy elektrycznej, a przy odpowiedniej temperaturze mogą utrzymać stabilne pole magnetyczne przez długi czas. Jednym z wyzwań jest jednak opracowanie systemu, który może wytworzyć pole magnetyczne wystarczająco duże, aby chronić kosmiczny statek kosmiczny wielkości autobusu. Kolejnym wyzwaniem jest utrzymywanie układu w temperaturach zbliżonych do zera absolutnego (0 kelwinów, -273 ° C, -460 F), co nadaje materiałom właściwości nadprzewodzące. Ostatnie postępy w technologii i materiałach nadprzewodzących zapewniły właściwości nadprzewodzące w temperaturze wyższej niż 120 K (-153 C, -243 F).
William S. Higgins, fizyk inżynierii, który pracuje nad bezpieczeństwem przed promieniowaniem w Fermilab, akcelerator cząstek w pobliżu Chicago, IL, mówi, że istnieją dwa rodzaje promieniowania, które należy uwzględnić w długotrwałym locie kosmicznym. Pierwszymi są protony rozbłysków słonecznych, które pojawiałyby się w rozbłyskach po zdarzeniu rozbłysku słonecznego. Drugi to galaktyczne promienie kosmiczne, które, choć nie tak zabójcze jak rozbłyski słoneczne, byłyby ciągłym promieniowaniem tła, na które narażona byłaby załoga. W nieosłoniętym statku kosmicznym oba rodzaje promieniowania spowodowałyby poważne problemy zdrowotne lub śmierć dla załogi.
Najłatwiejszym sposobem na uniknięcie promieniowania jest zaabsorbowanie go, np. Noszenie fartucha ołowiowego, gdy dostaniesz prześwietlenie u dentysty. Problem polega na tym, że tego rodzaju ekranowanie może często być bardzo ciężkie, a masa jest ważna w naszych obecnych pojazdach kosmicznych, ponieważ trzeba je wystrzelić z powierzchni Ziemi. Ponadto, według Hoffmana, jeśli użyjesz tylko odrobiny osłony, możesz faktycznie go pogorszyć, ponieważ promienie kosmiczne oddziałują z osłoną i mogą tworzyć wtórnie naładowane cząstki, zwiększając całkowitą dawkę promieniowania.
Hoffman przewiduje zastosowanie systemu hybrydowego, który wykorzystuje zarówno pole magnetyczne, jak i pasywną absorpcję. „W ten sposób Ziemia to robi” - wyjaśnił Hoffman - „i nie ma powodu, dla którego nie powinniśmy tego robić w kosmosie”.
Jednym z najważniejszych wniosków do drugiej fazy tych badań będzie ustalenie, czy zastosowanie technologii magnesów nadprzewodzących jest efektywne masowo. „Nie mam wątpliwości, że jeśli zbudujemy ją wystarczająco dużą i mocną, zapewni ochronę”, powiedział Hoffman. „Ale jeśli masa tego magnesu przewodzącego jest większa niż masa tylko w celu zastosowania pasywnego (pochłaniającego) ekranowania, to po co zadawać sobie tyle trudu?”
Ale to wyzwanie i powód tego badania. „To są badania” - powiedział Hoffman. „Nie jestem stronnikiem w ten czy inny sposób; Chcę tylko dowiedzieć się, jaki jest najlepszy sposób ”.
Zakładając, że Hoffman i jego zespół mogą wykazać, że nadprzewodzące ekranowanie magnetyczne jest efektywne masowo, następnym krokiem byłoby przeprowadzenie rzeczywistej inżynierii stworzenia wystarczająco dużego (choć lekkiego) systemu, oprócz dopracowania utrzymywania magnesów w ultra-zimnym nadprzewodzeniu temperatury w kosmosie. Ostatnim krokiem byłoby zintegrowanie takiego systemu w statku kosmicznym na Marsie. Żadne z tych zadań nie jest trywialne.
Badania utrzymania siły pola magnetycznego i temperatur prawie absolutnego zera tego układu w kosmosie są już przeprowadzane w eksperymencie, który ma zostać uruchomiony na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej na trzy lata. Spektrometr magnetyczny alfa (AMS) zostanie przymocowany na zewnątrz stacji i będzie szukał różnych rodzajów promieni kosmicznych. Będzie wykorzystywał magnes nadprzewodzący do pomiaru pędu każdej cząstki i znaku jej ładunku. Peter Fisher, profesor fizyki również z MIT, pracuje nad eksperymentem AMS i współpracuje z Hoffmanem przy badaniach nad magnesami nadprzewodzącymi. Doktorant i pracownik naukowy współpracują również z Hoffmanem.
NIAC został utworzony w 1998 r. W celu pozyskiwania rewolucyjnych koncepcji od ludzi i organizacji spoza agencji kosmicznej, które mogłyby rozwijać misje NASA. Wybrane zwycięskie koncepcje zostały wybrane, ponieważ „przekraczają granice znanej nauki i technologii” oraz „wykazują znaczenie dla misji NASA”, według NASA. Oczekuje się, że opracowanie tych koncepcji zajmie co najmniej dekadę.
Hoffman latał w kosmosie pięć razy i został pierwszym astronautą, który spędził ponad 1000 godzin na promie kosmicznym. Podczas swojego czwartego lotu kosmicznego, w 1993 roku, Hoffman uczestniczył w pierwszej misji serwisowej Kosmicznego Teleskopu Hubble'a, ambitnej i historycznej misji, która rozwiązała problem aberracji sferycznej w lustrze podstawowym teleskopu. Hoffman opuścił program astronautów w 1997 r., Aby zostać europejskim przedstawicielem NASA w ambasadzie USA w Paryżu, a następnie udał się na MIT w 2001 r.
Hoffman wie, że aby umożliwić misję kosmiczną, istnieje wiele pomysłów i ciężkiej inżynierii, które ją poprzedzają. „Jeśli chodzi o robienie rzeczy w kosmosie, jeśli jesteś astronautą, idź i zrób to własnymi rękami” - powiedział Hoffman. „Ale ty nie latasz w kosmosie na zawsze, a ja nadal chciałbym coś wnieść”.
Czy uważa, że jego obecne badania są tak ważne, jak naprawa Kosmicznego Teleskopu Hubble'a?
„Cóż, nie w bezpośrednim znaczeniu tego słowa” - powiedział. „Ale z drugiej strony, jeśli kiedykolwiek będziemy mieli ludzką obecność w całym Układzie Słonecznym, musimy być w stanie mieszkać i pracować w regionach, w których środowisko naładowanych cząstek jest dość ciężkie. Jeśli nie znajdziemy sposobu, aby się przed tym uchronić, będzie to bardzo ograniczający czynnik dla przyszłości ludzkiej eksploracji ”.
