¿Qué materiales proporcionan la mejor protección contra la radiación cósmica?

Para misiones tripuladas de larga distancia, como una misión a Marte, inevitablemente tendremos que proteger a los astronautas de la radiación cósmica, especialmente en el caso de una erupción solar o SEP. ¿Qué materiales brindan la mejor protección contra los tipos de radiación cósmica de alta energía a los que estarían expuestos los astronautas en estos viajes?

Según tengo entendido, Marte no tiene un núcleo de hierro y, por lo tanto, no tiene un escudo magnético, por lo que llegar allí sería solo una parte del problema. Mantener la habitación parece ser imposible.
@Rick Protegerse de la radiación no es un problema irresoluble. ¿Quizás estás pensando en terraformar? Si es así, también hay soluciones potenciales, pero ciertamente más allá de nuestras capacidades actuales.

Respuestas (5)

Hay una página de Wikipedia bastante buena al respecto, que enumera un par de opciones:

  • El agua constituye una protección contra la radiación bastante buena (también discutida aquí con la radiación terrestre ), pero es relativamente pesada y se consume durante el vuelo.
  • El hidrógeno líquido también es bueno y se usa como combustible, por lo que ya estará a bordo. Sin embargo, esto también se consume durante el vuelo.
  • Podríamos cambiar los materiales de los que están hechas las naves espaciales. Dado que los materiales ricos en hidrógeno funcionan bien para proteger los tipos más comunes de radiación cósmica, algunos plásticos podrían funcionar. Sin embargo, esto requeriría algo de reingeniería para ser práctico.
  • Como dijo JKor, los desechos humanos funcionan bien, pero tienen problemas de "asquerosidad". Sin embargo, esto es único en el sentido de que aumenta en lugar de disminuir a medida que avanza el vuelo, por lo que podría complementar el hidrógeno líquido y el agua.

Uno de los mayores problemas con el uso de blindaje adicional es que tiende a ser pesado y más peso == más costo.

La página de Wikipedia menciona el blindaje magnético activo, pero en este punto es principalmente una idea teórica.

El blindaje también es importante para las misiones no tripuladas (aunque no tanto), ya que la radiación puede tener efectos en los sistemas informáticos al interferir con el almacenamiento magnético. Consulte este artículo de National Geographic y este comunicado de prensa de la NASA para ver un ejemplo de un evento de este tipo en la Voyager 2. .

Con respecto al viaje potencial en nuestro propio sistema solar, ¡hay dos tipos generales de radiación que nos preocupan!

El primer tipo de radiación es la radiación solar, que consiste principalmente en protones, electrones y rayos X de energía baja a intermedia de nuestra propia estrella. Nos blindaríamos contra los protones con materiales de baja masa molecular. Por lo general, los materiales que contienen hidrógeno, como el hidruro de litio, se utilizan para esto debido a su eficacia para detener los protones y los neutrones que podrían provenir de futuros reactores y debido a su ligereza. Los electrones y fotones (rayos X) se detienen mejor con materiales de alto Z. Los materiales de alto Z están compuestos por elementos que tienen muchos electrones por átomo. Si bien los materiales de alto Z se utilizan para detener electrones y fotones, también son útiles para detener otras partículas cargadas, incluida la asistencia con protones.

El segundo tipo de radiación son los rayos cósmicos galácticos (GCR). Los GCR suelen ser partículas masivas de muy alta energía, como átomos de carbono y hierro. Debido a su naturaleza energética y cuán masivas son estas partículas, son muy difíciles de detener. Detener los GCR requiere capas gruesas de materiales de alto Z, que suelen ser densos y pesados. El blindaje pesado es costoso y difícil de llevar al espacio. No iré tan lejos como para decir que no podemos protegernos contra los GCR, pero diré que el peso de los materiales de protección contemporáneos hace que parezca que los enfoques actuales para la protección de GCR no son prácticos.

Nuestra estrella es una estrella de secuencia principal tipo G, que produce helio a través de la fusión protón-protón en su núcleo. Debido a la dinámica de fusión en nuestra estrella, los nucleidos de helio ionizados son el producto principal de esta fusión. Sin embargo, parte del helio producido a partir de la fusión protón-protón se fusiona, lo que produce carbono. A medida que las estrellas se vuelven más masivas, comienzan a fusionar elementos más pesados, que pueden ser expulsados ​​al espacio. El hierro-56 es el elemento más pesado que se puede producir a partir de estrellas tradicionales, y los elementos más pesados ​​son producidos por eventos mucho más energéticos, como una supernova.

La energía producida por la fusión de estos isótopos ioniza los gases cerca del borde de nuestra estrella, produciendo grandes cantidades de protones y electrones, que son lanzados al espacio durante las eyecciones de masa coronal. Numéricamente hablando, la mayoría de la radiación de nuestra estrella, así como de otras estrellas, se encuentra en forma de protones, electrones y fotones, con cantidades menores de nucleidos pesados. Estadísticamente hablando, cuanto más pesados ​​son los nucleidos, más raro es encontrarlos fluyendo en el espacio. Si bien me refiero principalmente a nuestra estrella, lo mismo ocurre con otras estrellas, independientemente de su masa.

De hecho, otras estrellas producen protones, electrones y fotones que fluyen hacia nuestra esfera de influencia solar; sin embargo, estas otras estrellas expulsan radiación en todas las direcciones, y solo una fracción muy pequeña de ellas es expulsada en el estrecho ángulo del cono para llegar a nuestro sistema solar. Gran parte de la radiación cargada de otras estrellas también es desviada por el campo magnético del sol. Como resultado, la gran mayoría de los protones y electrones de nuestro sistema solar fueron expulsados ​​de nuestra estrella y no de otras estrellas, y los que no lo son, en su mayoría tienen la misma energía que los protones y electrones expulsados ​​de nuestra propia estrella. Debido a esto, esencialmente ignoramos los protones y electrones no solares de nuestros cálculos de exposición a la radiación porque son insignificantes en su efecto sobre la dosis absorbida.

Sin embargo, los elementos pesados ​​expulsados ​​​​de eventos superenergéticos como la supernova viajan a velocidades cercanas a la luz y, como resultado, tienen un efecto profundo en el tejido biológico y la electrónica que encuentran. Aunque constituyen una fracción muy pequeña del recuento total de partículas por unidad de volumen en el espacio, los efectos que pueden tener sobre la dosis absorbida no son despreciables. Por lo tanto, cuando hablamos de rayos cósmicos galácticos, generalmente nos referimos a los iones pesados ​​​​energéticos de eventos energéticos extrasolares y no a los protones y electrones de fuentes extrasolares normales y cotidianas.

Esta es una buena respuesta, pero los GCR siguen siendo en su mayoría protones y partículas alfa. en.wikipedia.org/wiki/Cosmic_ray#Tipos
No estoy seguro de estar de acuerdo en un sentido práctico. Las partículas alfa se consideran partículas pesadas, por lo que creo que está en el contexto de la definición que proporcioné. La fracción de protones extrasolares en nuestro propio sistema solar es insignificante en comparación con los protones solares, hasta el punto de estar por debajo de MDA de fondo dependiendo de solar condiciones. Sin embargo, el efecto de los CGR de helio, carbono y hierro es muy notable en los cálculos de dosis y en relación con los niveles de fondo.
El artículo de Wikipedia al que hice referencia me da una comprensión diferente. ¿Es correcto cuando dice que el 99% de los GCR son protones y núcleos de He? Si es así, no entiendo cómo las partículas (incluso) más pesadas podrían ser más importantes. He buscado antes mejores explicaciones en línea sin éxito. Su aporte quizás también podría ser valioso en esta sección: space.stackexchange.com/a/8666/4660
Ampliaré mi publicación para responder mejor a esto sin encontrarme con limitaciones de espacio de caracteres.
En resumen, esta es una definición de ciencia versus ingeniería. Los protones y los electrones son los productos más copiosos de todas las estrellas, y los iones de menor masa son los siguientes. Sin embargo, si pudieras sumar todas las partículas de nuestro sistema, la mayoría (>99 %) procedían de nuestra estrella, por lo que ignoramos las partículas solares adicionales en los cálculos. Sin embargo, los iones superpesados ​​de las supernovas no pueden pasarse por alto, por lo que generalmente guardamos la definición de GCR para describir esas partículas y no los protones y electrones de las emisiones solares tradicionales.
La respuesta ampliada es bastante útil, pero hice una nueva pregunta porque todavía me pregunto acerca de la diferencia que hacen los protones de energía mucho más alta de los rayos cósmicos en comparación con los que provienen del sol, me parece que deben ser significativos a pesar de ser un fracción muy pequeña de los protones que hay. ¿Quizás no para la electrónica, sino para las personas? ¿Podría ser eso un factor en cómo se realizan actualmente los cálculos?
Envíame un enlace a tu nueva pregunta, no pude encontrarlo.
Oye, ¿algún comentario/enlace sobre la densidad, el grosor y la eficacia?

Un posible material que se mencionó en Scientific American es la materia fecal. Los hidrocarburos que contiene pueden absorber la radiación de forma segura.
Sin embargo, la mayoría del público en general rechazaría esta posibilidad por el factor asquerosidad (al igual que reciclar el agua al purificar y desinfectar la orina).

Si eso funciona, ¿no deberían los hidrocarburos ordinarios también hacer el truco, en lugar de tener que provenir de la materia fecal?
Es más viable usar materia fecal porque entonces no tienes que traer más masa para los hidrocarburos. La idea mencionada en Scientific American era "salir lleno de comida, volver lleno de materia fecal".
El público en general parece estar de acuerdo con que la gente de la ISS beba sudor y orina reciclados (no puedo desenterrar dónde leí eso :-( Un artículo que mencionaba que el público no estaba interesado en los logros de la ISS, y en su mayoría lo ignoraban).
Habrá materia fecal a bordo del vehículo, ya sea que se use como protección o no. Debe almacenarse de alguna manera. ¿Por qué no en espacios vacíos en las paredes? Lo mismo para el agua potable y el agua 'gris'. Todavía habría necesidad de otro blindaje, pero al menos esto ahorra volumen interno en la nave espacial, y posiblemente también los tanques separados en masa. Quizás.

Se habla de que podría ser posible usar imanes como escudo contra la radiación cósmica:

Los astronautas que viajan a la Estación Espacial Internacional están protegidos de gran parte de esta radiación por la atmósfera de la Tierra, así como por su "magnetosfera", la burbuja magnetizada de plasma que rodea la Tierra creada por su campo magnético. Sin embargo, las personas en vuelos más largos no tendrán esta protección natural y, por lo tanto, corren un mayor riesgo.

...

inyectando un plasma supersónico en un recipiente de vacío de 1,5 m de largo revestido con bobinas magnéticas, con un imán objetivo colocado en el extremo más alejado del recipiente. Usando imágenes ópticas y una sonda electromagnética, el equipo de Bamford demostró que el imán objetivo desviaba el plasma de tal manera que el volumen del espacio que rodeaba al imán estaba casi completamente libre de partículas de plasma.

-- fisicaworld.com

Una imagen que muestra cómo el campo magnético de la Tierra se encarga de esto:

ingrese la descripción de la imagen aquí

¡Pulcro!

¡Eso suena asombroso! Pero, ¿no sería eso demasiado intensivo en energía para ser práctico para una misión de largo alcance?
@Gwenn Bueno, probablemente necesitaríamos algún tipo de motor locamente poderoso en primer lugar, ¿verdad? Además, también debe considerar las implicaciones energéticas de lanzar una nave espacial recubierta de plomo.
@Deshacer, ¿está al tanto de algo más reciente que pueda agregar aquí ?
@uhoh no lo soy, lo siento!
@Deshacer OK, puede agregar esta información allí como una respuesta complementaria . Estoy buscando algo reciente, pero este es un fondo interesante. Solo un pensamiento.

Sé que esto no es tan buena como una respuesta que la mayoría aquí. Diría que se podría inflar un dirigible alrededor de la nave y electrificar el gas para crear un escudo electromagnético. Este método es ligero.

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

¿Qué es un gas electrificado? ¿Quieres decir ionizado? Los Cinturones de Van Allen de la Tierra trabajan con el campo magnético de la Tierra pero están fuera de su atmósfera.
@Uwe, una luz de neón o fluorescente es un buen ejemplo, pero ¿tal vez hay un gas que no se enciende y se mantiene transparente cuando se ioniza que emitirá un campo EM que puede bloquear la radiación?
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