Det är året 2027 och NASA: s vision för rymdutforskning fortskrider enligt plan. Halvvägs in i resan uppstår emellertid en gigantisk solavbränning som sprider dödlig strålning direkt vid rymdskeppet. På grund av forskning gjord av den tidigare astronauten Jeffrey Hoffman och en grupp MIT-kollegor redan 2004 har detta fordon ett modernt superledande magnetiskt skärmningssystem som skyddar de mänskliga passagerarna från alla dödliga solutsläpp.
Ny forskning har nyligen börjat undersöka användningen av superledande magnetteknologi för att skydda astronauter från strålning under rymdflygningar med lång varaktighet, till exempel de interplanetära flygningar till Mars som föreslås i NASA: s nuvarande Vision for Space Exploration.
Den huvudsakliga utredaren för detta koncept är före detta astronauten Dr. Jeffrey Hoffman, som nu är professor vid Massachusetts Institute of Technology (MIT).
Hoffmans koncept är ett av 12 förslag som började få finansiering förra månaden från NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC). Var och en får 75 000 dollar för sex månaders forskning för att göra inledande studier och identifiera utmaningar för att utveckla den. Projekt som gör det genom den fasen är berättigade till så mycket som $ 400.000 mer under två år.
Begreppet magnetisk skärmning är inte nytt. Som Hoffman säger: "Jorden har gjort det i miljarder år!"
Jordens magnetfält avleder kosmiska strålar, och ett extra skydd kommer från vår atmosfär som absorberar all kosmisk strålning som tar sig igenom magnetfältet. Att använda magnetisk skärmning för rymdfarkoster föreslogs först i slutet av 1960-talet och början av 70-talet, men genomfördes inte aktivt när planer för rymdflyg under lång tid föll vid vägen.
Tekniken för att skapa superledande magneter som kan generera starka fält för att skydda rymdskepp från kosmisk strålning har dock nyligen utvecklats. Superledande magnetsystem är önskvärda eftersom de kan skapa intensiva magnetfält med liten eller ingen elektrisk kraftingång, och med lämpliga temperaturer kan de bibehålla ett stabilt magnetfält under lång tid. En utmaning är dock att utveckla ett system som kan skapa ett magnetfält som är tillräckligt stort för att skydda ett bussstorligt, beboeligt rymdskepp. En annan utmaning är att hålla systemet vid temperaturer nära absolut noll (0 Kelvin, -273 C, -460 F), vilket ger materialen superledande egenskaper. De senaste framstegen inom superledande teknik och material har gett superledande egenskaper vid högre än 120 K (-153 C, -243 F).
Det finns två typer av strålning som måste hanteras för långvarig mänsklig rymdflyg, säger William S. Higgins, en tekniker som arbetar med strålningssäkerhet vid Fermilab, partikelacceleratorn nära Chicago, IL. De första är proteser med solavbränning, som skulle komma i skur efter en solfällningshändelse. De andra är galaktiska kosmiska strålar, som, även om de inte är så dödliga som solstolar, de skulle vara en kontinuerlig bakgrundsstrålning som besättningen skulle utsättas för. I ett oskyddat rymdskepp skulle båda typerna av strålning resultera i betydande hälsoproblem eller dödsfall för besättningen.
Det enklaste sättet att undvika strålning är att absorbera den, som att ha ett blyförkläde när du får en röntgen hos tandläkaren. Problemet är att den här typen av skärmning ofta kan vara mycket tung, och massan är i högsta kvalitet med våra nuvarande rymdfordon eftersom de måste lanseras från jordens yta. Enligt Hoffman kan du faktiskt göra det värre, om du använder bara en liten bit avskärmning, eftersom de kosmiska strålarna interagerar med skärmen och kan skapa sekundära laddade partiklar, vilket ökar den totala strålningsdosen.
Hoffman förutser att använda ett hybridsystem som använder både magnetfält och passiv absorption. "Det är så som jorden gör det," förklarade Hoffman, "och det finns ingen anledning till att vi inte skulle kunna göra det i rymden."
En av de viktigaste slutsatserna för den andra fasen av denna forskning är att bestämma om användning av superledande magnetteknologi är masseffektiv. "Jag tvivlar inte på att om vi bygger den tillräckligt stor och stark nog, kommer den att ge skydd," sade Hoffman. "Men om massan i detta ledande magnetsystem är större än massan bara för att använda passiv (absorberande) skärmning, varför då gå till alla de problem?"
Men det är utmaningen och anledningen till den här studien. "Det här är forskning," sa Hoffman. ”Jag deltar inte på ett eller annat sätt; Jag vill bara ta reda på vad som är det bästa sättet. "
Förutsatt att Hoffman och hans team kan visa att superledande magnetisk skärmning är masseffektiv, skulle nästa steg vara att göra den faktiska konstruktionen för att skapa ett tillräckligt stort (om än lätt vikt) system, förutom finjustering av underhåll av magneter vid ultrakallt superledande temperaturer i rymden. Det sista steget skulle vara att integrera ett sådant system i ett Mars-bundet rymdskepp. Ingen av dessa uppgifter är triviala.
Undersökningarna för att bibehålla magnetfältstyrkan och de nästan absoluta nolltemperaturerna i detta system i rymden förekommer redan i ett experiment som planeras lanseras till den internationella rymdstationen för en treårs vistelse. Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) kommer att fästas på utsidan av stationen och söka efter olika typer av kosmiska strålar. Den kommer att använda en supraledande magnet för att mäta varje partikels momentum och tecknet på dess laddning. Peter Fisher, en fysikprofessor från MIT arbetar också med AMS-experimentet och samarbetar med Hoffman om sin forskning om superledande magneter. En doktorand och en forskare arbetar också med Hoffman.
NIAC skapades 1998 för att uppmana revolutionära koncept från människor och organisationer utanför rymdbyrån som kunde främja NASA: s uppdrag. De vinnande koncepten väljs för att de "pressar gränserna för känd vetenskap och teknik" och "visar relevans för NASA-uppdraget", enligt NASA. Dessa koncept förväntas ta minst ett decennium att utvecklas.
Hoffman flög fem gånger i rymden och blev den första astronauten som loggade mer än 1 000 timmar på rymdfärjan. Vid sin fjärde rymdflygning, 1993, deltog Hoffman i det första Hubble Space Telescope service-uppdraget, ett ambitiöst och historiskt uppdrag som korrigerade det sfäriska avvikelsesproblemet i teleskopets primära spegel. Hoffman lämnade astronautprogrammet 1997 för att bli NASA: s europeiska representant vid den amerikanska ambassaden i Paris och gick sedan till MIT 2001.
Hoffman vet att för att möjliggöra ett rymduppdrag är det mycket idéutveckling och hård teknik som föregår det. "När det gäller att göra saker i rymden, om du är en astronaut, går du och gör det med dina egna händer," sa Hoffman. "Men du flyger inte i rymden för evigt, och jag vill fortfarande ge ett bidrag."
Ser han sin nuvarande forskning som viktig som att fixa Hubble rymdteleskopet?
"Tja, inte i omedelbar mening", sa han. ”Men å andra sidan, om vi någonsin kommer att ha en mänsklig närvaro i hela solsystemet, måste vi kunna leva och arbeta i regioner där den laddade partikelmiljön är ganska allvarlig. Om vi inte kan hitta ett sätt att skydda oss från det kommer det att vara en mycket begränsande faktor för framtiden för mänsklig utforskning. "
