Questão:
Quais materiais fornecem a melhor proteção contra a radiação cósmica?
Gwen
2013-07-18 21:17:02 UTC
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Para missões tripuladas de longa distância, como uma missão a Marte, inevitavelmente teremos que proteger os astronautas da radiação cósmica, especialmente no caso de uma explosão solar ou SEP. Quais materiais fornecem a melhor proteção contra os tipos de radiação cósmica de alta energia a que os astronautas seriam expostos nessas viagens?

Do meu entendimento, Marte não tem núcleo de ferro e, portanto, nenhum escudo magnético, então chegar lá seria apenas parte do problema. Manter a habitação parece impossível.
@Rick A proteção contra radiação não é um problema insolúvel. Talvez você esteja pensando em terraformação? Nesse caso, também existem soluções potenciais, mas certamente além de nossas capacidades atuais.
Cinco respostas:
#1
+20
Robert Mason
2013-07-18 21:34:19 UTC
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Há uma boa página da Wikipedia sobre isso, que lista algumas opções:

  • A água oferece uma proteção contra radiação bastante boa (também discutida com a radiação terrestre aqui), mas é relativamente pesado e é consumido durante o vôo.
  • O hidrogênio líquido também é bom e é usado como combustível, por isso já estará a bordo. No entanto, isso também é consumido durante o vôo.
  • Poderíamos mudar os materiais de que as espaçonaves são feitas. Como os materiais ricos em hidrogênio funcionam bem para proteger os tipos mais comuns de radiação cósmica, alguns plásticos podem funcionar. No entanto, isso exigiria alguma reengenharia para ser prático.
  • Como JKor disse, dejetos humanos funcionam bem, mas têm problemas de "grosseria". No entanto, isso é único porque aumenta em vez de diminuir à medida que o vôo prossegue, de modo que poderia complementar o hidrogênio líquido e a água.

Um dos maiores problemas em trazer proteção extra é que ele tende a ser pesado e mais pesado == mais custo.

A página da Wikipedia menciona a proteção magnética ativa, mas neste ponto isso é principalmente uma ideia teórica.

A proteção é importante para missões não tripuladas também (embora não tanto), já que a radiação pode ter efeitos nos sistemas de computador ao interferir no armazenamento magnético - consulte este artigo da National Geographic e este comunicado à imprensa da NASA para uma instância de tal evento acontecendo na Voyager 2.

#2
+14
Jon
2015-06-03 04:04:25 UTC
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No que diz respeito à viagem potencial em nosso próprio sistema solar, existem dois tipos gerais de radiação que nos preocupam!

O primeiro tipo de radiação é a radiação solar, que consiste principalmente de baixa a intermediária prótons de energia, elétrons e raios-x de nossa própria estrela. Nós nos protegeríamos contra os prótons com materiais de baixa massa molecular. Normalmente, materiais contendo hidrogênio, como o hidreto de lítio, são usados ​​para isso por causa de sua eficácia em parar os prótons e nêutrons que podem vir de futuros reatores e por causa da sua luz. Os elétrons e fótons (raios X) são mais bem parados com materiais de Z alto. Materiais High-Z são compostos de elementos que possuem muitos elétrons por átomo. Embora os materiais Z alto sejam usados ​​para interromper os elétrons e fótons, eles também são úteis para interromper outras partículas carregadas para incluir a assistência aos prótons.

O segundo tipo de radiação são os raios cósmicos galácticos (GCRs). Os GCRs são normalmente partículas massivas de alta energia, como átomos de carbono e ferro. Devido à sua natureza energética e à massa dessas partículas, elas são muito difíceis de parar. Parar os GCRs requer camadas grossas de materiais high-Z, que normalmente são densos e pesados. A blindagem pesada é cara e difícil de entrar no espaço. Não irei tão longe a ponto de dizer que não podemos nos proteger contra GCRs, mas direi que o peso dos materiais de blindagem contemporâneos faz parecer que as abordagens atuais para blindagem GCR não são práticas.

Nossa estrela é uma estrela de sequência principal do tipo G, que produz Hélio por meio da fusão próton-próton em seu núcleo. Por causa da dinâmica de fusão em nossa estrela, os nuclídeos de hélio ionizados são o principal produto dessa fusão. No entanto, parte do Hélio produzido a partir da fusão próton-próton é ele próprio fundido, o que produz carbono. Conforme as estrelas se tornam mais massivas, elas começam a fundir elementos mais pesados, que podem ser ejetados para o espaço. Ferro-56 é o elemento mais pesado que pode ser produzido a partir de estrelas tradicionais, com os elementos mais pesados ​​sendo produzidos por eventos muito mais energéticos, como uma supernova.

A energia produzida a partir da fusão desses isótopos ioniza gases próximos à borda de nossa estrela, produzindo grandes quantidades de prótons e elétrons, que são lançados no espaço durante as ejeções de massa coronal. Numericamente falando, a maioria da radiação de nossa estrela, bem como de outras estrelas, está na forma de prótons, elétrons e fótons, com menor quantidade de nuclídeos pesados. Estatisticamente falando, quanto mais pesados ​​são os nuclídeos, mais raro é encontrá-los fluindo no espaço. Embora eu esteja falando principalmente sobre nossa estrela, o mesmo se aplica a outras estrelas, independentemente de sua massa.

Outras estrelas realmente produzem prótons, elétrons e fótons que fluem para a nossa esfera de influência solar; entretanto, essas outras estrelas ejetam radiação em todas as direções, com apenas uma fração muito pequena delas sendo ejetada no ângulo de cone estreito para chegar ao nosso sistema solar. Grande parte da radiação carregada de outras estrelas também é desviada pelo campo magnético do sol. Como resultado, a grande maioria dos prótons e elétrons em nosso sistema solar foi ejetada de nossa estrela e não de outras estrelas, e as que não o são são, em sua maioria, da mesma energia que os prótons e elétrons ejetados de nossa própria estrela. Por causa disso, essencialmente negligenciamos prótons e elétrons não solares em nossos cálculos de exposição à radiação porque eles são insignificantes em seu efeito na dose absorvida.

No entanto, os elementos pesados ​​ejetados de eventos superenergéticos, como supernovas, são viajando perto da velocidade da luz e, como resultado, têm um efeito profundo no tecido biológico e na eletrônica que encontram. Embora constituam uma fração muito pequena da contagem total de partículas por unidade de volume no espaço, os efeitos que podem ter na dose absorvida não são desprezíveis. Portanto, quando falamos sobre raios cósmicos galácticos, geralmente estamos falando sobre os íons pesados ​​energéticos de eventos energéticos extra-solares e não os prótons e elétrons de fontes extrasolares normais do dia a dia.

Esta é uma boa resposta, mas os GCRs ainda são principalmente prótons e partículas alfa. https://en.wikipedia.org/wiki/Cosmic_ray#Types
Não tenho certeza se concordo no sentido prático. Partículas alfa são consideradas partículas pesadas, então eu acho que está no contexto da definição que forneci. A fração de prótons extra-solares em nosso próprio sistema solar é insignificante em comparação com os prótons solares, a ponto de estar abaixo do MDA de fundo dependendo do solar condições. No entanto, o efeito dos CGRs de hélio, carbono e ferro é muito perceptível nos cálculos de dose e em relação aos níveis de fundo.
O artigo da Wikipedia que mencionei me dá uma compreensão diferente. É preciso quando diz que 99% dos GCRs são prótons e núcleos He? Se for assim, não entendo como as partículas (ainda) mais pesadas podem ser mais importantes. Procurei antes por melhores explicações online, sem sucesso. Sua opinião também pode ser valiosa nesta seção: http://space.stackexchange.com/a/8666/4660
Vou expandir minha postagem para melhor responder a isso, sem esbarrar nas limitações de espaço do personagem.
Resumindo, esta é uma definição de ciência versus engenharia. Prótons e elétrons são o produto mais copioso de todas as estrelas, com íons de menor massa sendo os próximos. No entanto, se você pudesse somar todas as partículas em nosso sistema, a maioria (> 99%) veio de nossa estrela, então negligenciamos partículas solares extras em cálculos. No entanto, os íons superpesados ​​da supernova não podem ser negligenciados, então normalmente salvamos a definição do GCR para descrever essas partículas e não prótons e elétrons das emissões solares tradicionais.
A resposta expandida é muito útil - mas eu fiz uma nova pergunta porque ainda me pergunto sobre a diferença feita pelos prótons de energia muito mais alta dos raios cósmicos em relação aos que vêm do sol. Só me parece que eles devem ser significativos, apesar de fração muito pequena dos prótons lá fora. Talvez não para eletrônicos, mas para pessoas? Isso poderia ser um fator em como os cálculos são feitos atualmente?
Envie-me um link para sua nova pergunta, não consegui encontrar.
Oh, desculpe - http://space.stackexchange.com/q/9331/4660
Ei, algum comentário / link sobre densidade, espessura e eficácia?
#3
+7
JKor
2013-07-18 21:22:01 UTC
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Um possível material que foi mencionado na Scientific American é a matéria fecal. Os hidrocarbonetos nele podem absorver a radiação com segurança.
No entanto, a maioria do público em geral rejeitaria essa possibilidade por causa do fator de densidade (assim como reciclar a água purificando e higienizando a urina).

Se isso funcionar, os hidrocarbonetos comuns também não funcionarão, em vez de virem de matéria fecal?
É mais viável usar matéria fecal porque aí não tem que trazer mais massa para os hidrocarbonetos. A ideia citada na Scientific American era "sair acolchoado com comida, voltar acolchoado com matéria fecal".
O público em geral parece ok com as pessoas do ISS bebendo suor e urina reciclados (não consigo descobrir onde li isso :-( Um artigo que mencionou que o público não estava interessado nas conquistas do ISS, e principalmente o ignorou).
Haverá matéria fecal a bordo do veículo, seja ele usado para blindagem ou não. Deve ser armazenado de alguma forma. Por que não em espaços vazios nas paredes? O mesmo vale para água potável e água "cinza". Ainda haveria necessidade de outra proteção, mas pelo menos isso economiza volume interno na espaçonave - e possivelmente nos tanques separados em massa também. Talvez.
#4
+3
Undo
2013-07-18 21:26:00 UTC
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Há rumores de que talvez seja possível usar ímãs como escudo contra a radiação cósmica:

Os astronautas que viajam para a Estação Espacial Internacional são protegidos de grande parte dessa radiação pela atmosfera da Terra, pois bem como por sua “magnetosfera”, a bolha magnetizada de plasma que envolve a Terra criada por seu campo magnético. No entanto, as pessoas em voos mais longos não terão essa proteção natural e, portanto, estão em maior risco.

...

injetando um plasma supersônico em um vaso a vácuo de 1,5 m de comprimento revestido com material magnético bobinas, com um ímã alvo colocado na extremidade do recipiente. Usando imagens ópticas e uma sonda eletromagnética, a equipe de Bamford mostrou que o ímã alvo desviou o plasma de tal forma que o volume do espaço ao redor do ímã estava quase totalmente livre de partículas de plasma.

- mundo da física. com

Uma imagem mostrando como o campo magnético da Terra cuida disso:

enter image description here

Legal!

Isso parece incrível! Mas isso não consumiria muita energia para ser prático para uma missão de longo alcance?
@Gwenn Bem, provavelmente precisaríamos de algum tipo de motor extremamente poderoso em primeiro lugar, certo? Além disso, você precisa considerar as implicações energéticas de lançar uma espaçonave revestida de chumbo.
@Undo você está ciente de algo mais recente que você poderia [adicionar aqui] (http://space.stackexchange.com/q/20596/12102)?
@uhoh Não, desculpe!
@Undo OK, você pode adicionar essas informações * como uma resposta complementar *. Estou procurando algo recente, mas esse é um contexto interessante. Apenas um pensamento.
#5
  0
Muze
2018-04-04 20:13:17 UTC
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Sei que essa não é uma resposta tão boa quanto a maioria aqui. Eu diria que um dirigível poderia ser inflado ao redor da nave e o gás eletrificado para criar uma proteção eletromagnética. Este método é leve.

https://chemistry.stackexchange.com/questions/94514/can-gas-be-made-to-block-radiation-better

O que é um gás eletrificado? Você quer dizer ionizado? Os cinturões Van Allen da Terra trabalham com o campo magnético da Terra, mas estão fora de sua atmosfera.
-1


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