¿Qué espesor/profundidad de agua se requeriría para proporcionar protección contra la radiación en la órbita terrestre?

Si se usa agua o hielo como escudo contra la radiación, ¿qué tan grueso/profundo debería ser? ¿Habría alguna diferencia si el agua estuviera congelada (el hielo de agua es menos denso que el líquido)?

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Me gustaría saber cuánto blindaje sería necesario para una estancia indefinida. Preferiblemente en los límites terrestres según el Código de Regulaciones Federales (29 CFR 1910.96), pero al menos en los niveles del Consejo Nacional de Mediciones y Protección contra la Radiación (NCRP) presentado en su Informe 98 . lista de todos los diferentes tipos de radiación NASA "¿Qué es la radiación espacial?"

Respuestas (2)

Sabemos por la industria de la energía nuclear que las piscinas de almacenamiento de combustible gastado son lugares bastante seguros para estar, en cuanto a la radiación. En realidad, es seguro nadar en ellos, hasta cierto punto, porque los buzos humanos los revisan de forma rutinaria. Simplemente no pueden acercarse demasiado al combustible gastado.

Usamos estas piscinas para almacenamiento a corto plazo porque el agua es un muy buen escudo contra la radiación. ¿Que bien? Pues bien, según un informe sobre el tema preparado para el DoE allá por 1977, una capa de agua de 7 centímetros de espesor reduce a la mitad la radiación ionizante (rayos y partículas) que se transmite a través de ella (el resto es captado o moderado a energía no ionizante niveles, principalmente calor). El combustible nuclear recién descargado emite alrededor de 100.000 R/hora, medido desde un pie de distancia en el aire (a ese ritmo, la muerte segura es de aproximadamente 5 minutos de exposición y caería en coma en aproximadamente 10). Los niveles de radiación ionizante de fondo en la superficie de la Tierra son de aproximadamente 0,000001 R/hora (1 mSv/h), mientras que una "dosis segura" para vivir a largo plazo es de aproximadamente 0,0004 R/h. Una reducción a la mitad representa alrededor de 0,3 de una potencia de 10, por lo que, en términos generales, para reducir una barra de combustible nueva' Para llevar la radiactividad a niveles seguros, necesitaría unos 2 metros (8/0,3 * 7/100) y, a través de más de 2,5 m, la radiactividad de las barras de combustible es indistinguible de la radiación de fondo. De hecho, según el enlace del comentario, bucear a unos 6 pies de profundidad lo expondría a menos radiación que en la superficie de la piscina.

Según Wikipedia, la estimación superior para una dosis equivalente recibida por astronautas sin protección que operan fuera del campo magnético de la Tierra (como una misión a Marte) es de aproximadamente 90 000 R/año o aproximadamente 10 R/hora. Si asumimos que los niveles de energía son comparables, reducir eso a menos que la radiación de fondo de la Tierra solo requeriría una capa de agua de alrededor de 1 metro de espesor.

Sin embargo, hagamos un poco más de matemáticas. Digamos que el vehículo de Marte que los llevará de ida y vuelta es un cilindro de aproximadamente 3,5 m por 20 m (el mismo que se usó para los experimentos MARS-500; es una lata muy pequeña en la que pasar 3 1/2 años con 4 o 5 personas más). Con 1 m de agua protectora alrededor de todas las superficies de ese cilindro, el casco exterior sería de unos 5,5 m por 22 m.

El volumen de agua de protección necesaria es la diferencia entre esos dos cilindros, o 22 ⋅ π ⋅ 2.75 2 − 20 ⋅ π ⋅ 1.75 2 ≈ 522.68 − 192.42 = 330.26 metro 3 . Como un metro cúbico de agua pesa 1 tonelada métrica (1000 kg), son 330 260 kg para llegar al espacio.

Poniendo eso en perspectiva, el poseedor actual del récord de carga útil a LEO es el cohete Saturno V, que tenía una carga útil LEO máxima de 120 000 kg (dicha carga útil es el S-IVb, incluidos CSM, LEM y la etapa de salida de la Tierra, para la mayoría de los casos). de sus misiones). Para poner en órbita el volumen de agua que necesitaríamos se necesitarían 3 cohetes Saturno V. El Ares V, planeado pero nunca construido, se especificó para tener una capacidad P2LEO de 188 toneladas, lo que habría reducido la cantidad de lanzamientos a solo 2. Hacerlo con transbordadores espaciales (25 toneladas de carga a LEO) tomaría 14 misiones . El SLS Block II (130 toneladas de carga útil a LEO) requeriría solo unos 3 lanzamientos. Hacerlo con cualquier cohete orbital actualmente en servicio, tripulado o no tripulado (Soyuz II, Soyuz FG, Delta IV, Atlas V, Falcon 9) requeriría entre 50 y 100 lanzamientos.

Dado que podríamos lograr llevar tanta masa a LEO, hacer que rompa la órbita y salga al espacio interplanetario es mucho más difícil; ir a Marte utilizando una órbita de transferencia de Hohmann requiere tanto delta-V como llegar a LEO en primer lugar, por lo que todo el combustible gastado para llevar la nave y su escudo de agua al espacio debe ponerse en órbita, lo que requiere mucho más. lanzamientos Usar una asistencia de gravedad, digamos de Venus, sería una pesadilla logística que requeriría que los tres planetas estuvieran alineados al partir de LEO, y aunque ahorraría combustible, requeriría que cubramos mucha más distancia y tomemos mucho más tiempo, posiblemente colocando la misión más allá de nuestras capacidades actuales.

Hay varios tipos de radiación dañina en el espacio, ¿la reducción a la mitad de 7 centímetros se aplica a todos ellos?
Probablemente no; los datos que tengo están más relacionados con los rayos gamma y la radiación de neutrones, las dos formas más comunes de los desechos nucleares (y las dos más difíciles de proteger). La radiación cósmica ionizante consiste principalmente en rayos gamma y protones, que en general son muy similares a la radiación de los desechos nucleares. Los protones son un poco más livianos y, por lo tanto, tendrían menos energía a una velocidad dada (se detendrían más fácilmente); pero, debido a que son protones, si son capturados por el agua, básicamente se convertirían en iones H+ que podrían acidificar el agua protectora con el tiempo (no se ve tanto con los desechos nucleares).
"Ir a Marte usando una órbita de transferencia de Hohmann requiere tanto delta-V como llegar a LEO en primer lugar". Llegar a LEO toma alrededor de 9 km/s. Desde LEO trans mars la inserción toma alrededor de 3,6 km/s. Al llegar a Marte, un encendido de 1 km/s es suficiente para estacionar la nave espacial en una órbita elíptica cuyo periápside atraviesa la atmósfera superior de Marte. El delta V es aproximadamente la mitad del de llegar a la órbita.
¿No cambian los requisitos de espesor de radiación (para escudos de agua) según la distancia al Sol? Supongo que una nave espacial en Mercurio necesitaría un blindaje más grueso que uno en Marte. . .
Muy probablemente Para una transición Tierra-Marte usando una órbita de Hohman (que daría como resultado que la nave espacial se mantuviera entre las órbitas de los dos planetas en lugar de lanzarse como una honda alrededor de una órbita más cercana al Sol), los números que ya tenemos para las excursiones lunares representan los valores más altos a largo plazo. término dosis ya que representan la dosis en el punto más cercano de la excursión al Sol (fuera del campo magnético protector de la Tierra). A medida que te acercas al Sol, estás expuesto a un mayor arco de su radiación y, por lo tanto, a una mayor cantidad de energía que debes moderar con protección adicional.
Si los astronautas pasan la mitad de su tiempo (durmiendo y algunas horas más por "día") en un agujero de 1 metro de diámetro dentro de un cilindro de 3 metros de diámetro con una longitud de 2 metros lleno con un metro de agua o combustible o basura alrededor, eso pesaría alrededor de 13 toneladas (no miles de toneladas). Y eso solo reduciría la exposición a la radiación a la mitad.
@HopDavid: es posible que la tripulación quiera regresar a la Tierra en algún momento.
@RussellBorogove Si "ir a Marte" fuera lo mismo que "ir a Marte y regresar", tendría razón. Pero el último párrafo de KeithS no describe un viaje de ida y vuelta. Parece estar diciendo que LEO a Marte es de 9 km/s, lo cual es incorrecto.
Si digo "voy a la tienda" o "voy a trabajar" o "voy a Nueva York", la suposición predeterminada es que voy a volver.
Muchas arquitecturas marcianas requieren recarga de combustible en Marte. Y algunos piden viajes de ida. Entonces, no, esa no es la suposición predeterminada aquí. Si digo que tengo suficiente gasolina para ir a trabajar, la suposición predeterminada es que tengo suficiente para ir a trabajar, no para ir a trabajar y volver.
@LocalFluff y si pudiéramos hacer que el blindaje sea direccional, podríamos reducirlo a ~ 2 toneladas.
Esto ¿Qué pasa si? El artículo de Randall Munroe entra en detalles sobre los "efectos" de nadar en una piscina de combustible nuclear gastado. Es una gran lectura para las personas que hacen este tipo de preguntas.
@LocalFluff Depende de cuánto daño sea aceptable. Pasar la mitad de su tiempo protegido aún significaría 40 días de exposición total para un viaje de 80 días.
¿Cuánto duraría esa agua? Supongo que parte de ella se cambia a agua pesada o tritiada con el tiempo.
Me pregunto más acerca de los rayos cósmicos y los efectos del agua sobre ellos, porque esos son los más dañinos para los humanos; ¿correcto?
"1 mSv/hr": el número de radiación de fondo no parece correcto, se parece más a una dosis anual de 1,26 mSv, dosis por hora en un nivel de 0,1-0,18 uSv (10^-6 Sv), no estoy seguro de si afecta a cualquier otra declaración numérica en el publicación, tal vez necesite revaluar para eso
Recientemente, el 22 de octubre de 2021, la prueba de lanzamiento giratorio arrojó un 'cohete' suborbital decenas de miles de pies con una centrífuga. Pura conjetura, pero veo potencial para arrojar hielo de manera relativamente económica para construir un escudo de nave espacial y una estación de reabastecimiento de combustible en órbita terrestre baja para procesar parte del hielo en hidrógeno y oxígeno.
@Keith Reynolds spinlaunch solo actúa como la primera etapa de propulsión. Para llegar a la órbita, la carga útil lanzada por giro debe estar unida a un cohete de "segunda etapa".

Un cubo de 1 km con espacio para 1.000.000 de personas cada una con 16 habitaciones de 20 metros cuadrados, requeriría 18 toneladas por persona para un escudo de 3 metros, lo que reduciría los niveles de radiación a menos de 0,000001 R/Hr de la superficie terrestre.

Asignando a cada persona 1000 metros cúbicos. Si la altura de un piso es de 3 metros, los 1000 metros cúbicos proporcionan 333 metros cuadrados de espacio de piso. Este espacio se puede dividir en 16 habitaciones de 20 metros cuadrados (200 pies cuadrados). La suposición es que las personas compartirán parte de ese espacio para áreas comunes.

Un cubo de 1 km tiene 6 lados cada uno de 1000 x 1000 metros. La superficie total es así 6*1000*1000 o 6 millones de metros cuadrados. Dividido entre el millón de ocupantes significa 6 metros de blindaje cada uno. Se requieren tres metros de blindaje por cada metro cuadrado de superficie. Esta es una pila de 3 cubos de 1 metro. Un metro cúbico de agua pesa/tiene una masa de 1 tonelada métrica (muy cerca de 1 tonelada). La pila de 3* superficie de 6 totaliza 18 toneladas.

Para un cubo de 100 metros (1.000 personas) la cifra es de 180 toneladas por persona. La superficie es de 6*100*100 = 60.000 metros cuadrados, que son 60 metros cuadrados para cada una de las 1000 personas. Así 3 * 60 o 180 toneladas.

El tamaño del escudo de 3 metros se deriva de la información en la publicación de KeithS para la misma pregunta.

Se requiere reducir 100,000 R/hr a .000001 (1 millonésima) R/hr que es una reducción de 100 mil millones de veces - que está por debajo 2 38 .

Cada 7 cm ( http://www.nist.gov/pml/data/xraycoef/index.cfm ) de agua divide la radiación por un factor de 2. Por lo tanto, el total requerido es 38 * 7 cm o 266 cm. Utilice 300 cm / 3 metros para facilitar el cálculo y proporciona un margen de seguridad adicional que facilita el cálculo.

Hola, bienvenido a Space.SE. Cifras interesantes, ¿te importaría mostrarnos cómo llegaste a ellas?
Con respecto a su edición, de alguna manera no creo que se le haya pedido que pruebe su geometría tanto como llegó a la conclusión de que un escudo de agua de 3 m de espesor reduciría los niveles de radiación a menos de .000001 R/Hr del Superficie de la tierra . Tampoco menciona para qué altitud orbital son sus cifras. También tenga en cuenta que la pregunta no se refiere a la masa sino directamente al grosor del escudo. Entonces, la mayor parte de su respuesta, que se trata de la masa de agua requerida para proteger a un número arbitrario de ocupantes por un volumen de área de vivienda arbitrario por persona, no tiene sentido.
La referencia que das es para fotones con energías inferiores a 20 MeV. Los rayos cósmicos son núcleos atómicos con energías en su mayoría entre 100 MeV y 1 GeV, y el peor daño lo causan partículas pesadas como los núcleos de hierro. Este documento tiene una buena descripción general: int.washington.edu/PHYS554/2011/chapter9_11.pdf
¿Qué espesor/profundidad de agua se requeriría para proporcionar protección contra la radiación en la órbita terrestre?
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