Voy a ceder a la NASA en este caso.

Con las misiones humanas a Marte en el horizonte, la investigación sobre cómo proteger a los astronautas de la radiación es un importante campo de estudio. La NASA está realizando investigaciones en algunas áreas potenciales; Voy a dar una breve descripción de cada uno.

Hidrógeno

Una de las mejores formas de protegerse contra partículas de alta energía es con una partícula de un tamaño similar. ¿Adivina qué? El hidrógeno es básicamente una partícula (un átomo compuesto por 1 protón + 1 electrón). Aún mejor, es el elemento más abundante. Usar agua como protección tiene un buen potencial; también es necesario para los astronautas, por lo que ya se lo están llevando. Además, el hidrógeno es un componente principal en algunos plásticos, como bolsas de compras y botellas de agua. Este tipo de plástico no es estructuralmente factible para una nave espacial, por lo que agregaría masa y dificultaría los lanzamientos, ¡pero hay buenas noticias en este frente!

BNNT hidrogenados

Se trata de un nuevo material en desarrollo: nanotubos de nitruro de boro hidrogenado. Tiene el potencial de duplicarse como componente estructural y protección contra la radiación. Incluso han descubierto cómo hacer trajes espaciales con él.

Campos de fuerza

Sí, también están investigando esto. No estamos ni cerca de lo que vemos en la ficción (Star Trek, et. al.), pero crear un campo magnético energéticamente eficiente (exactamente como lo hace la Tierra naturalmente) sería una excelente forma de protección. Por el momento, sin embargo, hacerlo es prohibitivamente intensivo en energía y materiales.

Medicamento

Un elemento sugerido es también un medicamento que aliviaría activamente el impacto de la radiación en los astronautas. Este es actualmente puramente teórico.

Aquí hay algunos artículos que discuten la idea de un escudo magnético portátil. Uno pro y otro sorta con . Sin embargo, el uso de hielo o agua como un escudo físico no debe descartarse casualmente, es probable que el barco y la tripulación NECESITEN mucha agua, ¡también podrían realizar múltiples tareas con grandes tanques de agua si tienes que llevarlo contigo de todos modos!

Otra opción sería un escudo/búnker solar solo para bloquear la radiación de las erupciones solares. Esto dependería de la masa, pero sería menos masivo que envolver toda la nave en él. Las áreas de tripulación/electrónica estarían protegidas, pero solo desde una dirección (o un área muy confinada). Esto requeriría un sistema de alerta temprana para bengalas y la capacidad de maniobrar el barco para colocar el escudo entre el barco y la bengala o para que el barco opere normalmente mientras toda la tripulación se apiña en el búnker. Esto no ayudaría con la radiación cósmica de fondo, pero tal vez haya una solución biológica para eso, hacer que el ADN humano sea lo suficientemente robusto como para resistir niveles bajos persistentes de rayos gamma (aunque probablemente no sea una buena idea para niños o mujeres fértiles).

Pero si tienes una súper fuente de energía, presumiblemente tienes acceso a todo tipo de otras cosas de alta tecnología. El escudo magnético es más factible con toneladas de energía, y los tiempos de viaje serían lo suficientemente cortos como para que la exposición a los rayos cósmicos sea mínima y las erupciones solares no sean algo garantizado en cada viaje. En este caso, algo como un escudo de plasma podría ayudar. Reduciría la exposición a la radiación cósmica sin la necesidad de un fuerte campo magnético y tal vez en el caso de una erupción solar, el escudo podría "marcarse a 11" por un corto período de tiempo.

Diablos, tal vez la tripulación pasa todo el vuelo segura en pequeños ataúdes protegidos, viviendo en realidad virtual con drones antropomórficos para cuando necesitan hacer trabajo físico. Esto es bastante aburrido para la ficción, pero probablemente bastante factible para el trabajo en el mundo real en un entorno extremadamente peligroso. Los transportistas de carga a granel y similares probablemente estarían completamente automatizados, por lo que los humanos solo estarían disponibles para misiones de viaje, búsqueda y reparación (para cuando uno de esos transportadores de drones se descompone) y exploración. Estamos bastante cerca de poder hacer un trabajo detallado con drones , por lo que no debería ser muy difícil completar una misión espacial completa con la tripulación en realidad virtual todo el tiempo.

Presentaré una pequeña idea que se ha considerado para la colonización lunar; aunque podría funcionar mejor para una estación que para un barco, todavía vale la pena considerarlo, digo.

Agua

¡Resulta que el agua es un muy buen aislante de la radiación! Usan el mismo material para almacenar viejas varillas de fisión nuclear, cuando se estropean. Y este rasgo útil ha sido considerado para una colonia lunar. Imagine una "habitación segura" interior, rodeada de agua para evitar la radiación solar dañina durante las erupciones solares. Esa es básicamente la idea.

Ahora, no tome esto como si yo dijera que sus naves espaciales deberían ser naves acuáticas. Lejos de eso, no tienes que ir tan lejos. Pero considere esto: durante esas caminatas más largas, cerca de grandes gigantes gaseosos y durante fuertes erupciones solares, su tripulación necesitará un poco más de protección contra la radiación.
Entonces suena una alerta amarilla y todo el personal es enviado a los búnkeres de radiación: habitaciones especiales en el barco rodeadas por un tanque de agua, con suficientes suministros y herramientas para esperar a que pasen las zonas de alta radiación. Luego, cuando pasa el peligro, la tripulación sale y regresa a sus puestos.

Solo una idea, pero con alguna base en la realidad. ¿Y quien sabe? ¡Podría ser útil!

Advertencias importantes

Comencemos esta discusión diciendo que aunque las locuras son posibles, no estamos tratando de construir para cada locura.

Por ejemplo, la partícula Oh-My-God describe una partícula de origen cósmico que se mueve tan rápido que golpea con la fuerza de una pelota de béisbol. A pesar del enorme poder y la posibilidad teórica de ser golpeado por un aluvión de cosas, son tan raras que no las vamos a considerar.

El polvo espacial es otro ejemplo. Cuanto más rápido vas, más polvo espacial comienza a sentirse como balas. Te dejo a ti que te encargues de protegerte contra ese tipo de escombros... Aquí solo estamos hablando de radiación.

Radiación ionizante

Radiación ultravioleta - No hay problema

La radiación ultravioleta, el área de 10 a 125 nm, ioniza las moléculas de aire y es biológicamente peligrosa. En la Tierra, por lo general, estamos protegidos por nuestra atmósfera, pero en el espacio ese no es el caso.

Afortunadamente, la radiación ultravioleta es bloqueada o reflejada por cualquier material que pueda envolver su nave espacial. Citando a Wikipedia , "las telas estándar de verano tienen un UPF de aproximadamente 6, lo que significa que el 20 % de los rayos UV pasarán". Por el contrario, la atmósfera de la Tierra bloquea alrededor del 98-99% de la radiación ultravioleta. La extensión lógica aquí es que si el casco de su nave espacial estuviera compuesto completamente de camisetas, con solo 3 capas bloquearía más UV que la atmósfera de la Tierra (99,2 % frente a 98 %), y con 5 capas podría bloquear el 99,968 %.

Para estar seguro, probablemente pasaría de las camisetas a los suéteres... o, ya sabes, casi cualquier metal de grosor no trivial.

Radiación alfa - No hay problema

Las partículas alfa constan de dos protones y dos neutrones. Están cargados y, por lo tanto, interactúan fuertemente con la materia, lo cual es bueno y malo. En el lado negativo, significa que pararse junto a un emisor de partículas alfa puede ser muy peligroso; sin embargo, en el lado positivo, el hecho de que reaccionen con la materia tan fácilmente significa que también se bloquean muy fácilmente.

La declaración estándar sobre la radiación alfa es que, en general, una hoja de papel estándar es suficiente para protegerte. Entonces, a menos que planee hacer su nave espacial con papel ultrafino, creo que está bien con esto.

Radiación Beta - No hay problema

La radiación beta es básicamente un electrón energético. Al ser más pequeño, puede ser más penetrante que la radiación alfa y también es capaz de causar daños corporales. Sin embargo, cualquier cantidad no trivial de blindaje metálico (por ejemplo, 1-2 mm de aluminio) impedirá que penetre esta radiación.

Radiación gamma: ¿cuánto peso quieres llevar?

Fotones de menos de 3x10^-11 metros. Mal ju-ju.

El truco con la radiación gamma es que el tipo de protección es casi (pero no del todo) irrelevante. Lo que más importa es la masa de material que atraviesan los rayos gamma, no la composición de esa masa. Por ejemplo, un escudo de plomo solo proporciona una mejora del 20-30% sobre un metal más liviano como el aluminio o algo como la tierra por kg. Sin embargo, obviamente, el plomo (o, mejor, el tungsteno) es más compacto, lo que puede tener ventajas en términos de construcción de barcos.

Para identificar cuánto blindaje necesita, deberá consultar el índice Half Value Layer para su material de destino. Este índice identifica el grosor que debe tener la capa de material para reducir a la mitad la radiación gamma permitida. Los HVL para algunos materiales para la radiación gamma de Cobolt-60 son: - Hormigón: 60,5 mm - Acero: 21,6 mm - Plomo: 12,5 mm - Tungsteno: 7,9 mm - Uranio: 6,9 mm

A continuación, debe identificar qué cantidad de radiación gamma es normal para su entorno y qué considera "seguro". A decir verdad, no pude encontrar un buen número para la cantidad de radiación de fondo normal en el espacio, ni siquiera buenas estimaciones máximas. Sin embargo, por el lado de la seguridad, sabemos que cuando hablamos de exposición a corto plazo, cualquier cantidad inferior a 15 rem es básicamente indetectable y que, discutiendo las normas de exposición a largo plazo, el estadounidense promedio recibe ~0.62 rem.

No saber la cantidad de radiación de fondo es un problema, pero tengo una solución: hacemos trampa. Voy a hacer la suposición no tan descabellada de que una explosión nuclear de 1,2 megatones libera más radiación gamma a 2 km ( 500 rem / 5sv ) de la que obtendrá de la radiación de fondo máxima en el espacio. Aunque no pude encontrar números concretos sobre qué niveles de fondo hay en el espacio, esta suposición parece mantenerse con lo que encontré. Entonces, averigüemos qué se necesitaría para protegerse contra ese nivel de radiación todo el tiempo.

Para reducir 500 rem a <0,62 rem, debe planificar 10 HVL (lo reduce a 0,49 rem). Aunque más es mejor. Eso significaría espesores de blindaje de: - Hormigón: 605 mm (23,8") - Acero: 216 mm (8,5") - Plomo: 125 mm (4,9") - Tungsteno: 79 mm (3,1") - Uranio: 69 mm (2,7")

Sin embargo, personalmente, agregaría otra capa para estar seguro.

Como recordatorio, la clave aquí es MASA. Puede usar agua y solo recibir un impacto del 20% en el rendimiento por masa, pero 1 centímetro cúbico de tungsteno pesa MUCHO más que 1 centímetro cúbico de agua. Puede elegir otros materiales como el agua, pero el grosor requerido aumentará considerablemente cuando utilice metales no metálicos o incluso más ligeros.

Radiación de rayos X

Esto es realmente un duplicado de la radiación gamma. Efectivamente, si elige bloquear la radiación gamma con un metal denso, también se ocupará de la radiación de rayos X.

En resumen, utilizando Concrete como ejemplo, una radiografía de 1GVp tiene los mismos requisitos de HVL que la radiación gamma del decaimiento de Cobalt-60 (44,45 mm). El plomo, sin embargo, baja de 12,5 mm con radiación gamma a 7,9 mm con rayos X.

Radiación de neutrones

Aquí es donde las cosas se ponen interesantes.

Para protegerse contra la radiación gamma y mantener la esbeltez de la nave, necesita un escudo de metal pesado... pero eso es totalmente inapropiado para un escudo de neutrones. A los núcleos pesados ​​les resulta muy difícil ralentizar un neutrón, y mucho menos absorber un neutrón rápido.

Al mismo tiempo, al no tener carga, ionizan la materia solo indirectamente y tienen un gran poder de penetración.

Su mejor apuesta para la radiación de neutrones es utilizar una alta concentración de elementos ligeros, como el hidrógeno, que puede absorber neutrones con bastante eficacia. El agua con ácido bórico es ideal, aunque probablemente no sea útil para construir un recipiente a largo plazo.

Para resumir una larga historia aquí, consulte el siguiente enlace de Space SE, que recomienda que se use 1 m de agua para protegerse cuando se encuentre en la órbita de la Tierra. Es 1 m de agua o mucho más de otra cosa, cuando se habla de viajes a largo plazo.

Blindaje hasta ahora

Hasta ahora hemos identificado que para blindar la nave necesitas:

• Radiación Alfa: Literalmente cualquier cosa de cualquier espesor
• Radiación Beta: Cualquier cantidad no trivial de metal es ideal
• Radiación gamma: 125 mm de plomo (más ejemplos en la sección)
• Radiación de rayos X: cubierta por un escudo de radiación gamma
• Radiación de neutrones: 1 m de agua

Sin embargo, con ese resumen establecido, no necesita 125 mm de plomo Y 1 m de agua; en realidad, la respuesta podría ser un compromiso entre los dos (siempre que se comprometa con la cantidad de plomo y no con la cantidad de agua).

Sin embargo, por el bien de los factores de seguridad, digamos que conserva ambos. Suponiendo que no quiere que el agua salga del casco y que tampoco la quiere sin contener DENTRO de su casco, felizmente podría salirse con la suya con un casco exterior de plomo de 80 mm , una cavidad para 1 m de agua y un interior de 45 mm. muro de contención .

Si tiene otro material que recubre su barco (y supongo que lo tendría, en promedio), entonces puede reducir un poco el tamaño adicional de esa manera o dejar las medidas como están y disfrutar de algunos márgenes de seguridad adicionales.

Radiación no ionizante

Esta sección cubre luz visible, infrarrojos, microondas, ondas de radio, VLF y ELF. En general, esta es toda la radiación en el espectro electromagnético que su blindaje, tal como se describe actualmente, podría manejar con facilidad. La luz visible no va a ser un problema sustancial y, de lo contrario, la nave actuará como una jaula de Faraday.

Un desafío que puede tener es la adquisición de calor debido al infrarrojo (y las otras frecuencias en menor grado). El enfriamiento de objetos en el espacio puede ser bastante difícil, pero cómo se puede manejar eso es realmente otro tema... aunque sugeriría investigar.

Los planetas están protegidos del letal viento solar (un conjunto de partículas cargadas) a través de sus campos magnéticos. Yo sugeriría lo mismo para una nave espacial. Básicamente, querrías convertir tu nave espacial en un electroimán gigante.

¿Cómo se haría?

Esta capacidad magnética de la nave espacial tendría que integrarse en su diseño desde el nivel básico. Cuando empieces a construir la capa exterior de la nave espacial, la harías de dos capas. La capa externa sería de lo que generalmente están hechas las carcasas de las naves espaciales (alguna aleación de aluminio o titanio), y la capa interna sería Alnico envuelto en un cable eléctrico aislado.

Cuando la nave espacial esté en el espacio, encenderías la electricidad a la bobina, convirtiendo la capa de álnico en un poderoso electroimán. Usted querrá orientar la polaridad del imán de su nave espacial para que sea la misma que la polaridad del viento solar, por lo tanto, desviándolo lejos de su nave espacial. Esto se puede hacer fácilmente simplemente invirtiendo la polaridad de la corriente eléctrica que fluye a través del cableado de alnico.

Recomiendo Equipo .

Vas a necesitar muchos equipos grandes, pesados ​​y confiables en tu nave espacial. Cosas como:

• Fuentes de energía (probablemente MUY grandes, mucho metal y agua)
• Bombas y Ventiladores (para transferencia de calor)
• Unidades de refrigeración (para bebés congelados)
• Control de atmósfera (para respirar...)
• Piezas de repuesto
• Almacenes (especialmente agua)
• Combustible
• Motores
• Servidores y otros aparatos electrónicos

Entonces, uno podría imaginar una nave espacial donde la gente vive y trabaja en gran medida en el centro de la nave, y muchos equipos y tiendas que se visitan con poca frecuencia se distribuyen por el exterior.

Este equipo no se verá afectado en gran medida por las partículas de alta energía que son la parte más peligrosa de la radiación cósmica. Unos pocos centímetros de acero reducirán el nivel de radiación ionizante en un orden de magnitud .

Cuando el personal necesita realizar tareas de mantenimiento o interactuar con este "equipo de protección", puede traer protección temporal, realizar un seguimiento cuidadoso de su tiempo y tomar otras medidas preventivas.

En realidad, esto funciona mejor con naves espaciales más grandes; el área de superficie crece más lentamente que el volumen a medida que aumenta la escala, por lo que la fracción de su equipo que necesita ser "visitada con poca frecuencia" puede ser menor.

Esto se conoce y se usa ampliamente en la industria nuclear: las partes de la planta inmediatamente adyacentes al reactor están diseñadas para ser visitadas con menos frecuencia, y cuanto más se aleja, más el equipo absorbe los zoomies.

Si asumimos que somos tan avanzados que podemos crear cantidades casi ilimitadas de energía, creo que también podría asumir que dominamos la construcción de objetos a nivel molecular. No parece descabellado pensar que podríamos fabricar algún polímero sándwich de alta tecnología de material altamente resistente a la radiación siendo

1) usado por los astronautas todo el tiempo

2) utilizado en el casco de la nave espacial

Las soluciones pasivas (cosas que "siempre están ahí") parecen ser siempre mejores que las soluciones activas (escudo de energía que debe activarse)