Questão:
Proteção contra radiação magnética ou massa, qual é mais eficiente?
James Jenkins
2013-07-28 18:07:54 UTC
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Pelo que entendi; estar longe da terra o sujeita a riscos significativos à saúde causados ​​pela radiação. Na Terra, a maior parte desse risco é desviada pelo campo magnético da Terra. Não encontrei uma referência, mas presumivelmente este campo magnético poderia ser duplicado em uma nave espacial com energia suficiente. Eu também entendo que alguma proteção contra radiação pode ser criada pelo uso de materiais (o chumbo é um exemplo bem conhecido) .

Se você tiver uma espaçonave comparável à ISS em massa e volume (estrutura diferente, é claro) movendo-se ao redor do sistema solar sob um impulso constante de 1g (virar e desacelerar na metade) , qual seria o uso mais eficiente da energia; Movendo a massa extra ou a energia necessária para gerar o campo magnético?

Quatro respostas:
#1
+21
Thomas Pornin
2013-07-31 07:46:00 UTC
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No espaço (dentro do sistema solar), você obterá principalmente dois tipos de "radiação" que têm consequências para a saúde:

  • Fótons de várias energias, de ondas longas de rádio a raios gama.
  • Partículas carregadas de alta energia, principalmente elétrons e prótons ejetados da atmosfera superior do Sol (isso é conhecido como vento solar).

A principal fonte deles é, naturalmente, o sol. Os fótons, sendo eletricamente neutros, riem totalmente dos campos magnéticos; uma "barreira magnética" funcionará apenas para partículas carregadas. Nós sabemos o que os raios ultravioleta podem fazer com a pele humana apesar da atmosfera, então podemos imaginar que alguma proteção extra será necessária no espaço.

Supondo que você tenha supercondutores, você pode manter um campo magnético poderoso por tempos indefinidos, com energia sendo consumida apenas quando uma partícula é realmente desviada. A forma e a posição deste campo requerem alguns cuidados, no entanto. Por exemplo, o campo magnético da Terra não é muito bom para proteger a Terra do vento solar; em vez disso, ele apenas se move ao redor do ponto de impacto: partículas de alta energia concentram-se nas regiões polares, produzindo lindas auroras. Muita pesquisa sobre o tema da proteção magnética ideal para naves espaciais é referenciada nesta página.

Uma circunstância agravante das radiações no espaço é que ela não ocorre com uma contínua fluxo; em vez disso, ocorre em explosões de intensidade considerável, quando ocorrem explosões solares. Uma boa blindagem espacial será um exagero total na maior parte do tempo, mas ocasionalmente se tornará uma necessidade absoluta para evitar que a tripulação seja, bem, morta. Uma característica atenuante, no entanto, é que a posição da fonte é bem conhecida (o Sol tende a ser altamente visível) e chamas podem ser observadas "visualmente" algumas horas antes do ataque de partículas de alta energia, dando tempo para levantar escudos extras.


Fora do sistema solar , as coisas mudam um pouco. O vento solar na verdade cria uma espécie de "bolha" ao redor do Sol, chamada de heliosfera, que atua um pouco como um escudo magnético contra o resto do Universo. Na fronteira da heliosfera está uma situação bastante confusa sobre a qual muito se teoriza, mas pouco se sabe; a sonda Voyager 1 está se movendo atualmente. Além disso, não há muito o que temer sobre o vento solar, mas muito mais sobre outras partículas de alta energia de muitos tipos, conhecidas coletivamente como raios cósmicos.

Nós realmente não saiba de onde vêm os raios cósmicos, mas as fontes parecem ser múltiplas. Para nossa discussão atual, isso significa que os raios cósmicos não vêm de uma direção única previsível e acontecem em momentos aparentemente aleatórios, portanto, escudos de qualquer tipo devem estar ativados o tempo todo. Além disso, nem todas essas partículas estão carregadas, então os escudos magnéticos não serão suficientes.

Observe que os raios cósmicos também são um problema dentro do sistema solar, mesmo perto da Terra, mas deixando a heliosfera aumenta o problema dramaticamente.

Um perigo extra é lindamente exposto em "The Songs of Distant Earth" de Arthur C. Clarke. Se você está fora da heliosfera, está viajando para as estrelas - portanto, deve estar viajando rápido , porque as estrelas estão muito, muito distantes. Isso implica que partículas de baixa energia ou fragmentos maiores (por exemplo, átomos perdidos ou moléculas de nebulosas) terão uma alta velocidade relativa e os impactos repetidos serão prejudiciais para a nave e seus habitantes. No livro, eles adicionam uma grande camada de gelo na frente do navio e devem renová-la regularmente.


Quanto aos materiais para escudos mais tangíveis (que irão proteger de partículas neutras também), um bom candidato não é o chumbo, mas a água . A água tem uma relação muito boa de poder de absorção por peso; Além disso, a água tem outros usos que o chumbo não oferece, como tomar banho, regar plantas, criar peixes ( tilápias oferecem muita proteína, mas requerem apenas uma quantidade limitada de espaço para nadar) e, aconteça o que acontecer , mesmo bebendo, caso os estoques de bebidas decentes a bordo se esgotem.

Um projeto popular é uma nave espacial como um grande cilindro giratório, criando "gravidade artificial". O "solo" (a superfície do cilindro, visto de dentro) pode ser uma grande piscina, e os habitats seriam flutuantes, como fazendas de peixes. A água mantém o ecossistema interno e fornece excelente proteção contra radiação ao mesmo tempo. Os astronautas também são marinheiros.

Outros materiais possíveis incluem vários polímeros, ouro (usado para módulos lunares em missões Apollo - quando você vai à Lua, você o faz com estilo ), e até mesmo "resíduos biológicos" da tripulação. Todo esse problema de radiação ainda é um dos problemas não resolvidos para a viagem a Marte, então essa é uma área de pesquisa ativa.

Um escudo * pequeno * mas resistente seria suficiente? Como a radiação aparece em rajadas e são detectáveis ​​com antecedência, poderia haver, digamos, uma pequena sala bem protegida no navio onde a tripulação poderia esperar pela explosão.
A ficção científica vem ao resgate. Em "Red Mars", a tripulação da missão de colonização a Marte experimenta uma explosão solar e se abrigam entre seus tanques de água - tanques que eles precisavam trazer de qualquer maneira. É um escudo grátis. Por que se preocupar com um grande ímã se você já tem água?
Existem também alguns resultados interessantes que merecem destaque em relação às espumas de metal com água boratada, que parecem ter uma boa redução de massa para metade.
Ouro no módulo lunar Apollo ??? Acho que era kapton aluminizado (algo como mylar), que só parece ter uma cor dourada. Veja https://en.wikipedia.org/wiki/Space_blanket
Na verdade, a NASA produziu Kapton aluminizado e goldized; e o próprio Kapton é apenas um componente das folhas multicamadas que cobrem os módulos lunares. A maior parte do que você vê do lado de fora é apenas da cor dourada, mas um pouco de ouro ainda permanece lá. A cobertura de ouro também foi usada _inside_ o módulo, para alguns instrumentos; e o revestimento das viseiras do capacete dos astronautas era de ouro puro.
@SF. Orion tem um local assim (não uma sala dedicada)
@ThomasPornin Veja esta pergunta e a resposta aceita sobre "folha de ouro" na espaçonave: http: //space.stackexchange.com/questions/5246/why-is-gold-used-in-space-technology-to-protection-from- radiação de calor / 5248
+1 por exagero ou morte, que gerou uma risada; também + 1 para uma boa resposta, seria +2, mas parecia um exagero;).
#2
+2
css
2013-07-31 18:23:16 UTC
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Outro item a considerar com as explosões solares é que, uma vez que existe a capacidade potencial de "vê-las chegando", há um bom potencial para uma quantidade significativamente reduzida de blindagem. Especificamente, o navio poderia ter uma espécie de abrigo antiaéreo, mas neste caso um abrigo contra explosões solares. Uma subseção do navio grande o suficiente pelo menos para os habitantes poderia ser blindada muito mais fortemente do que o resto do navio, reduzindo assim os custos associados à proteção (uso de energia e $ em geral).

Muito boa ideia.
#3
+2
Rick Smith
2018-03-15 04:42:36 UTC
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O perigo da radiação é exagerado.

Uma missão de classe conjunta dará a um astronauta 31,8 rems em trânsito de raios cósmicos (em ambos os sentidos), 10,6 rems de raios cósmicos em Marte (assumindo que você fique cerca de ano lá), as explosões solares em trânsito causarão 5,5 rems (supondo que você tenha um abrigo de tempestade de raios cósmicos) e 4,1 rem em Marte (o corpo do planeta filtra a radiação de baixo e a atmosfera ajuda contra a radiação solar).

Isso é menor do que a dose de radiação vitalícia de um piloto de avião e menor do que algumas estadias de longa duração na Estação Espacial Internacional. Ele tem zero de chance de causar danos a curto prazo e dá 1,1% de chance de um cara ter um câncer fatal pelo resto da vida.

Você poderia reduzir essa exposição à radiação um pouco colocando sacos de areia em topo do habitat em Marte para filtrar um pouco mais, mas o tempo em Marte é valioso. Existem coisas melhores a fazer.

#4
  0
Johnny Robinson
2016-08-22 00:38:56 UTC
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A radiação cósmica pode ser protegida por massa. Isso pode exigir cascos com vários metros de espessura, de algo parecido com gelo. Um casco de 60 centímetros de espessura englobando um habitat de apenas 4,5 metros de diâmetro compreenderia uma porção muito grande de sua massa total. No entanto, as paredes não precisam ser mais grossas quando um habitat é maior. Para um habitat com 30 metros de diâmetro, paredes de 60 metros de espessura são uma porção muito menor de sua massa total. Portanto, usar massa para proteger parece terrível em habitats pequenos, mas muito mais factível em habitats grandes. Essas paredes também protegem contra meteoros. Portanto, haverá um impulso para habitats maiores à medida que formos capazes de construí-los.

Na verdade, 60 centímetros pioraria o problema. Quando as partículas de raios cósmicos colidem com o núcleo de um átomo, elas criam uma chuva de novas partículas, e cada uma pode criar outra chuva de partículas quando colidem com algo. Você não está protegido a menos que haja material suficiente para dispersar a energia para que a cascata pare. Seriam necessários cerca de 5 m de água para protegê-lo. [Fonte] (https://engineering.dartmouth.edu/~d76205x/research/Shielding/docs/Parker_06.pdf)
Eu apenas peguei o número 2 pés no ar para fazer um ponto. Estou ciente dessa ideia sobre dispersão. Eu sei que a água tem uma massa melhor do que muitas substâncias (é o hidrogênio). Portanto, uma dada espessura de água bloquearia mais do que a mesma massa de, digamos, pedra. Os plásticos também estão sendo considerados, pelo teor de hidrogênio. Não sei se a pesquisa determinou o quão espesso deve ser. A última vez que li isso ainda estava em debate. Se você souber de alguma pesquisa com respostas definitivas sobre quanta massa, de qual substância, é necessária, eu adoraria saber a respeito.
É verdade que está no ar, mas 60 centímetros definitivamente pioraria as coisas, não melhoraria. O artigo referenciado faz um bom caso de que 5 m seriam suficientes, mas tem que ser testado no espaço. O Stack Exchange tem um sistema de votação para encorajar as pessoas a escreverem as respostas mais claras, informativas e bem pesquisadas possíveis. Comentários como o anterior são para ajudar as pessoas a melhorar suas respostas.


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