The Van Allen Belts: A Natural Radiation Barrier for Human Spaceflight

إن أحزمة فان ألين هي منطقتين متطوّرين من الجسيمات المحملة على نحو نشط، والتي تُحتجز في الميدان المغناطيسي للأرض، والتي يُكتشفها جيمس فان ألين وفريقه في عام 1958 باستخدام بيانات من الساتل المستكشف 1، فإن هذه الأحزمة تمثل واحدا من أهم الأخطار الطبيعية لأي بعثة تُقدّم خارج المدار الأرضي المنخفض.

والأحزمة ليست ثابتة، إذ إن شدتها وتغيرها المكاني مع النشاط الشمسي والعواصف الجيومغناطيسية وحتى وقت اليوم، وهذا السلوك الدينامي يدفع مخططي البعثات إلى اعتماد نهج مرنة ومحركة البيانات لسلامة الفلك، وعلى مدى العقود، ثبت أن الجمع بين الحماية، والتدخيل على الوجه الأمثل، والرصد في الوقت الحقيقي، ولكن مع زيادة البعثات في الفضاء، تزداد الحاجة إلى تدابير مضادة أكثر تقدما.

فيزياء فان ألين بلت الإشعاعية

أما المادة الثالثة فهي: " الأرض " () أو حقل المغناطيس، أو الغلاف المغنطيسي، فهي تعمل كزجاجة مغناطيسية ضخمة، وتُحَصَّب الجسيمات المحملة من الرياح الشمسية والأشعة الكونية على طول خطوط ميدانية، وتُسرب إلى الخلف، وتُعمد إلى ما بين نقاط المرآة القريبة من القطبين، ويسود الحزام الداخلي الذي يتراوح بين 000 1 و 000 12 كيلومتر.

تركيب الجسيمات وطاقتها

وتزيد بيئة الإشعاع في الأحزمة حدةً أكبر بكثير من خلفية الأشعة الكونية المجرية، وفي الحزام الداخلي، يمكن أن تتجاوز التدفقات البروتونية 10 (4) ، وتساهم الجسيمات في الثانية في الجسيمات فوق 10 مي في حين أن هذه الطلقات تنبع من تفاعلات الأشعة الكونية مع الغلاف الجوي العلوي ومن الحرق الشمسي.

إن مطياف الطاقة حرج في تصميم الدرع، إذ أن الجسيمات المنخفضة الطاقة (دون قليل من المي في) تُوقف بواسطة جلدات الألمنيوم الرقيقة، ولكن البروتونات ذات الطاقة العالية يمكنها اختراق عدة سنتيمترات من الألمنيوم، وهذا يعني أن جدران المركبات الفضائية وحدها غير كافية؛ ويجب وضع المزيد من الدرعات على نحو استراتيجي حول أرباع الأطقم والعناصر الحساسة.

الفرق: النشاط الشمسي والعواصف الجيومغناطيسية

فالأحزمة شديدة الاستجابة لطقس الفضاء، حيث يمكن أن تتضخم الحزام الخارجي بأوامر ضخامة خلال ساعات الذباب الشمسية والطلقات الكتلية، وتكثف الرياح الشمسية، وتضغط على الغلاف المغنطيسي، وتحقن الجسيمات الطازجة، ويمكن أن تتضخم الحزام الخارجي بأوامر ضخامة في غضون ساعات، وعلى العكس من ذلك، فإن الأحزمة، خلال فترات شمسية، كثيرا ما تكون موقت لتلافيضبة الشمس.

كما أن العواصف الجيولوجية المغنطسية تتسبب في تحول الأحزمة إلى الأرض، كما أن منطقة جنوب المحيط الأطلسي الأنوميلي، وهي منطقة يزول فيها الحزام الداخلي إلى ارتفاعات أقل (حوالي 200 كيلومتر)، تشكل خطراً مستمراً على المركبات الفضائية في مدار أرضي منخفض، بما في ذلك محطة الفضاء الدولية، ويعاني الملاحون الفضائيون في محطة الفضاء الدولية من جرعات أعلى عند مرورهم عبر محطة الفضاء الفضائية، ويطبق حد أقصى من الدروع أو العمليات.

آثار الإشعاع على الصحة البشرية

يمكن للإشعاع المؤين من أحزمة فان آلن أن يلحق الضرر بالحمض النووي والبروتين وبرامبر الخلايا، وتشمل المخاطر الأولية الحادة المرض الإشعاعي بمعدلات الجرعة العالية (على حد واحد من الصولجان في فترة قصيرة) وزيادة خطر الإصابة بالسرطان والإصابة بالسرطان والسكتة القلبية الدموية والخصائص، وقد حدد المجلس الوطني لحماية الإشعاعات والمقاييس (NCRP) و3 في المائة من الحالات القصوى للسرطان

التعرض المزمن

ولا يدوم مرور أحزمة فان آلن إلا بضع ساعات فقط من أجل مسار ملوِّن أو بين الكواكب، وأثناء بعثات أبولو، يتلقى رواد الفضاء جرعات تبلغ نحو ١,٢ متر مربع لكل معبر )ممتدة إلى الخارج ومتجهة( وهو جزء صغير من مجموع الجرعة التي تقوم بها البعثة، ولكن إذا ما أريد للمركبات الفضائية أن تصبح محاصرة في أحزمة الاشعاع )مثلا، بسبب الارتفاع عن الفضاء(.

وقد أظهرت الدراسات الحيوانية والبشرية أن الجرعات المتوسطة (100-500 متر مربع) يمكن أن تعجل بالتحلل الحراري والتراجع المعرفي، وتشير البحوث الأخيرة بشأن الفئران المعرضة للإشعاع الفضائي المحاكا إلى الآثار العصبية المحتملة، بما في ذلك نقص الذاكرة، وفي حين أن الأدلة الوبائية المستمدة من الكوثول الفلكي لا تزال محدودة، فإن المبدأ التحوطي يدفع إلى اتخاذ تدابير صارمة للسلامة.

استراتيجيات الدرع: الحماية السلبية والنشطة

إن التدفئة هي أكثر الطرق مباشرة للحد من التعرض للإشعاع، فالدروع التقليدية تستخدم الكتلة لامتصاص الجسيمات، وتتناسب فعالية المادة تقريبا مع كثافة المواد ومحتوياتها من الهيدروجين، لأن ذرات الهيدروجين فعالة في كسر البروتونات والنيوترونات عالية الطاقة، كما أن البوليسيوم، الذي هو غني بالهيدروجين، هو أكثر فعالية من الكتلة الدهونية الأخرى، والماء.

مواد الدرع الواقية

ولا توفر جدران الألومنيوم التقليدية (التي تقارب سمكها 2-3 مم) سوى حماية متواضعة من إشعاع الحزام، وبالنسبة لأماكن الطاقم الحرجة، يمكن وضع المزيد من الدرعات التي تُصنع من صفائح البوليثيلين، أو خزانات المياه، أو حتى تخزين الأغذية، وتستخدم المركبة الفضائية الأوريون لبعثات أرتيميس مزيجا من مادة الألومنيوم، وبوليثيلين، ومواد مركبة مركبة جديدة تسمى " 8221 " محطة إيستروم الدولية " .

ومن المفاهيم المبتكرة استخدام إعادة الغرور (تربة اللونار أو التربة المريخية) كدرع للموائل السطحية، غير أنه بالنسبة للمرور العابر بالأحزمة، لا توجد سوى المواد المنقولة من الأرض، ولا تنطبق إعادة البناء على درع المركبات بسبب القيود الجماعية، وتركز البحوث الحالية على مركبات الوزن الخفيف والمواد النانوية التي توفر كثافة عالية من الهيدروجين دون كتلة مفرطة.

الدرع النشط: ماغنيتيك وكهربائي

ويولد الدرع النشط حقول كهربائية أو مغناطيسية لكشف الجسيمات المحملة بعيدا عن الطاقم، ويستخدم الدرع المغنطيفي الكوكائين الفوقية لخلق حقل ديبول قوي بما فيه الكفاية لجهاز قياس الأرض المغنطيسي، ويظل غلاف المغنطيسي، ويستخدم الدرع الكهرومتيكي لوحات شحنة لإبطال الجسيمات، وفي حين أن النظم النشطة الواعدة نظرياً هي تضخم، وثوم.

ويتمثل التحدي الرئيسي في قوة لورنتز على المركبة الفضائية نفسها؛ ويمكن أن تحفز حقول مغناطيسية قوية التيارات في نظم أخرى، ومع ذلك، فقد تم اختبار المتظاهرين الصغار في مدار أرضي منخفض، وعلى المدى القريب، يظل توفير الحماية السلبية وتخطيط البعثات يشكلان الضمانات الأساسية.

تخطيط البعثات وتحقيق الاستفادة المثلى من المسار

وتتمثل أكثر الطرق فعالية للحد من التعرض للإشعاع في تقليل الوقت المنفق في الأحزمة إلى أدنى حد، ويتم ذلك من خلال تصميم المسارات بعناية واختيار نافذة الإطلاق، وبالنسبة لبعثات أبولو، اختيرت المسارات لتمرر الأحزمة بسرعة عالية وفي خطوط العرض الوسطى حيث تقل معدلات تدفق الجسيمات، وتسمح الحواسيب الحديثة ببلوغ المعايير الكثيرة في آن واحد.

الإطلاق Window Selection and Space Weather Forecasting

ويُختار تاريخ الإطلاق على أساس مرحلة دورة الشمس، ويُحدث الحد الأقصى للشمس ارتفاعا في تدفق الجسيمات في الأحزمة، ولذلك كثيرا ما يُعتزم إيفاد بعثات خلال الحد الأدنى من الطاقة الشمسية عندما تكون الأحزمة أكثر هدوءا، ومع ذلك، فإن الحد الأدنى للشمس يعني أيضا ضعف الحماية الميدانية المغنطيسية من الأشعة الكونية المجرية، ولذلك يلزم توازن، وقد تُرجَّع التنبؤات الجوية الحقيقية من محطة الإطلاق المدارية (NOA#8217؛

وبالنسبة لبعثات المريخ، تحدد نافذة المرور العابر بمواءمة الكواكب التي تحدث كل 26 شهرا، وفي تلك النافذة، تؤثر مسارات محددة (مثلا، نقل الحد الأدنى من الطاقة الهوهمان ضد مسارات أسرع من طبقة المعارضة) على وقت عبور الحزام، ويقلل مسار أسرع من التعرض أثناء معبر الحزام، ولكنه قد يزيد من إشعاع البعثة عموما بسبب ارتفاع حرائق الأشعة الكونية خلال فترات أقصر ولكن أكثر كثافة.

سلسلة السلاسل ودورات العمل

وخلال البعثات الطويلة، يمكن لتناوب الطاقم عبر المناطق المحمية أن يحد من الجرعات الفردية، فعلى سبيل المثال، سيكون لمحطة أرتيميس للتشنر المعتزمة أماكن نوم محمية يمكن أن تتراجع فيها أثناء أحداث الجسيمات الشمسية، وبالمثل، من المرجح أن تكون مركبات المريخ العابرة " 8220؛ ومأوى العواصف " و " 8221 " ؛ مع وجود جدران متعددة الإيثيلين وكمية وطعام وماء كاف لمدة عدة أيام.

كما أن القواعد التنفيذية تحد من الأنشطة الخارجة عن نطاق الأشعة أثناء فترات الإشعاع العالي، وتطبق هذه القواعد بالفعل: إذا حدث حدث حدث جسيمات شمسية، فإن رواد الفضاء داخل محطة الفضاء الدولية يبقون في وحدات الدرع، وتلغى هذه المركبات، أما بالنسبة للفضاء العميق، فإن البروتوكولات المماثلة ستكون موجودة، مع وجود قياسات في الوقت الحقيقي من جانب كل عضو من أعضاء الطاقم.

التدابير التكنولوجية والطبية

وبالإضافة إلى توفير الحماية والتخطيط، تؤدي النُهج التكنولوجية والطبية إلى الحد من الأثر الصحي للإشعاع، وتشمل هذه النهج الإلكترونيات المحتوية على الإشعاع، والرصد في الوقت الحقيقي، والمستحضرات الصيدلانية التي تحمي أو تصلح الضرر البيولوجي.

Radiation-Hardened Electronics and Monitoring

ويجب أن تصمد الأجهزة الإلكترونية للمركبات الفضائية أمام مجموع الجرعة المؤينة والآثار ذات الهجمة الواحدة، وتختبر المكونات بمستويات الإشعاع التي تتسم بها بيئة الحزام، وكثيرا ما تكون النظم مصممة برمز التكرار وتصحيح الأخطاء، وبالنسبة للوظائف الحاسمة، مثل دعم الحياة والدفع، تستخدم الأجزاء ذات الصبغة العسكرية والمحتوية على الإشعاعات، وتكون متاحة تجاريا " 8220؛ وقطعا فرعية من طراز FGAP82ch.

ويقوم مراقبو الإشعاعات في الوقت الحقيقي، مثل رادمون في محطة الفضاء الدولية أو مركز رصد الإشعاع البيئي في أرتيميس، بتقديم بيانات إلى الطاقم ومراقبة الأرض، وإذا ما تضاعفت معدلات الجرعة، يمكن توجيه الطاقم إلى المأوى، كما يساعد هؤلاء المراقبين على التحقق من نماذج بيئة الحزام، وتحسين التنبؤات المستقبلية.

التدابير المضادة الصيدلانية

وقد تسارعت البحوث في مجال العقاقير الواقية من الإشعاعات في السنوات الأخيرة، ويمكن أن تؤدي مراكب مثل الأميفوستين (النافورشة بالمجان) إلى الحد من الأضرار التي لحقت بالحمض النووي إذا ما أُجريت قبل التعرض، غير أن الآثار الجانبية (النثيجة، الافتراض) تحد من استخدامها، بينما تستهدف المخدرات الأخرى مسارات إصلاح الخلايا، مثل مسببات PARP أو الإحصائيات، للتخفيف من الآثار الطويلة الأجل.

ويجري أيضا استكشاف علاج الجينات والمعادن المسببة للأكسدة، فعلى سبيل المثال، أظهر المتعاطي " 820 " ؛ (مشتق أعلامي) الحماية من متلازمة الإشعاع الحادة في الدراسات الحيوانية، وتمول الوكالة الوطنية للملاحة الفضائية بحوثا عن طريق معهد بحوث الترجمة الفضائية لصحة الفضاء، ولم يتم بعد الموافقة على استخدام أي مخدر في مجال الطيران الفضائي، ولكن تجري التجارب السريرية.

Lessons from Past Missions: Apollo, Skylab, and ISS

وقد واجهت كل بعثة من بعثات التحليق الفضائي البشرية خارج المدار الأرضي المنخفض إشعاعات لحزام فان ألين وأسهمت في فهمنا، حيث كان رواد الفضاء في أبولو يحملون مقاييس شخصية سجلت جرعات، وقد سجلت بعثة أبولو 14 أعلى جرعة من الحزام (حوالي 1.14 مترا من طراز Sv للرحلة المستديرة)، وهي كمية كانت جيدة في حدود الأمان، أما محطة الفضاء التابعة لدوكلاب التي تعمل في مدار أرضي منخفض، فتستمر عبر سلسلة بيانات واسعة النطاق عن سلسلة البيانات الفضائية SA.

وقد قامت بعثات غير مكرَّرة، مثل شركة فان ألين بروبس (2012-2019)، برسم أحزمة بأحزمة تفصيل لم يسبق له مثيل، مما يدل على أن الحزام الخارجي أكثر دينامية بكثير مما كان متصورا سابقا، وتستخدم هذه البيانات الآن لتنقيح النموذج AE8/AP8 والنماذج الجديدة (مثلا، الشبكة الدولية للطاقة الذرية)، وتسترشد المعارف المكتسبة مباشرة بتصميم أوريون، وشركة الفضاء ستار، وشركة لونار غيتواي.

التحديات المستقبلية والتوجيهات البحثية

ومع أن أهداف الرحلة الفضائية البشرية للمريخ وما بعده، تظل أحزمة فان ألين عقبة رئيسية، وستتطلب البعثات المقبلة مزيدا من المرور العابر من خلال الأحزمة (مثلا بالنسبة للمريخ، قد تزيد المساعدة المتعددة الجاذبية من وقت الحزام) وربما تكون أكثر مسارات الطاقة.

  • Improved models] that can predict belt conditions in advance, incorporating real-time solar wind data.
  • Advanced light weight shielding such as boron nitride nanotubes, hydrogenated graphene, and composite foams that offer greater stop power per kilogram.
  • Active shielding demonstrators — small-scale tests on the ISS or dedicated CubeSats to validate magnetic and electrostatic concepts.
  • Medical advances]: gene editing (CRISPR) to enhance DNA repair, personalized risk assessment based on genetics, and long-duration studies on astronauts.
  • Artificial intelligence] for real-time risk management, integrating dosimetry, space weather forecasts, and crew health data to recommend actions.

إن أحزمة فان آلن ليست حاجزا لا يمكن تذليله، ولكنها تتطلب الاحترام وهندسة دقيقة، فكل رائد فضاء من أبولو طار من خلالهم عاد إلى صحته بفضل الجهود المشتركة للمخططين وعلماء المواد وضباط الطب، وسيستفيد الجيل القادم من المستكشفين من قدر أكبر من المعرفة والتكنولوجيا، بما يكفل بقاء الإشعاع من الأحزمة خطراً يمكن التحكم فيه بدلاً من المشاهدين.

For further reading, see the NASA Van Allen Probes mission], the NOAA Space Weather Prediction Center, and ESA’s radiation research gate.