L'imperatrice in crescita per lo scudo di radiazione cosmica

Mentre l'umanità mette in scena le sue missioni spaziali più lunghe e ambiziose, che si ritorgono alla Luna, che stabiliscono una presenza sostenuta in orbita bassa-Terra, e infine inviando equipaggi a Marte—una delle minacce più persistenti e pericolose è la radiazione cosmica.

Per le missioni spaziali, portare sufficiente schermatura fisica per ridurre significativamente i tassi di dose aumenterebbe drasticamente i costi di lancio e la capacità di carico leggero di contenimento. Questa realtà ha spinto i ricercatori a esplorare le tecnologie di schermatura attiva che utilizzano campi magnetici ed elettrici per deflettare o respingere le particelle caricate prima di raggiungere il compartimento dell'equipaggio.

Comprendere l'ambiente di radiazione spaziale

Per apprezzare la sfida, aiuta a capire che cosa affrontano gli astronauti.

Raggi cosmici galattici (GCR)

I GCR sono protoni altamente energetici, particelle alfa e nuclei pesanti (ad esempio, ferro, carbonio, ossigeno) che permeano lo spazio interstellare. Le loro energie vanno da decine di MeV/nucleon fino a diversi GeV/nucleon, molto superiori a quello che i tipici scudi fisici possono fermare.

Particelle solari energetiche (SEP)

I SEP, principalmente protoni e particelle alfa con energie fino a diverse centinaia di MeV, arrivano in esplosioni che durano ore a giorni dopo i raggi solari o le espulsioni di massa coronale. Un grande evento SEP può fornire una dose letale in breve tempo se gli astronauti non sono protetti.

Impatti biologici

Le preoccupazioni principali dell'esposizione alle radiazioni nello spazio sono l'induzione del cancro (effetti di base) e gli effetti deterministici come danni al sistema nervoso centrale, al sistema cardiovascolare e alle lenti oculari. Il NASA Space Radiation Health Project ha documentato che i tassi di dose su una missione di Marte potrebbero avvicinarsi ai limiti di esposizione di carriera attualmente fissati per gli astronauti, rendendo una qualche forma di schermatura avanzata un requisito non negoziabile per le missioni di lunga durata di un anno o più.

Come funziona lo scudo magnetico

Lo schermatura magnetica sfrutta la forza Lorentz, che agisce su una particella carica che si muove attraverso un campo magnetico. Quando un protone carica positivamente viaggia perpendicolare ad una linea di campo magnetico, sperimenta una forza perpendicolare sia alla sua velocità che alla direzione del campo, causando la spirale e potenzialmente allontanarsi dal volume protetto. Il parametro chiave è la rigidità magnetica del prodotto magnetico

Elettromagneti Superconduttori

La pratica schermatura magnetica per la sonda si basa sugli elettromagneti superconduttori per generare un campo forte e persistente senza consumare un'enorme potenza elettrica. I materiali superconduttori comuni (ad esempio, il niobio-titanio o il niobio-tin) devono essere raffreddati a temperature criogeniche, tipicamente inferiori a 10 K.

Geometria e Peso del campo magnetico

Una semplice suoneria produce un campo uniforme all’interno ma un campo di dipolo forte all’esterno che può interagire con l’elettronica di veicolo spaziale e con gli strumenti sensibili. Una configurazione toroidale (come una bobina a forma di ciambella) confina il campo alla vicinanza delle bobine, riducendo i campi di reggiseni.

Come funziona lo scudo elettrico del campo

Se lo scafo della sonda è caricato su una tensione positiva elevata (ad esempio, +100 kV), protoni positivamente caricati sono repulsi e gli elettroni caricati negativamente sono attratti. Poiché il compartimento dell'equipaggio sarebbe all'interno di una gabbia conduttiva Faraday, l'interno rimane a un potenziale sicuro.

Tensione e requisiti di potenza

Per fermare un protone di 100 MeV, ad esempio, la sonda avrebbe bisogno di un potenziale sull'ordine di 100-200 kV rispetto al plasma circostante. Mantenere che la tensione nel vuoto dello spazio è impegnativo perché la sonda raccolga naturalmente la carica dal plasma ambientale, e l'alto campo può innescare la rottura o l'arco.

Vantaggi e svantaggi

La schermatura elettrica può essere più leggera della schermatura magnetica perché richiede solo una generazione ad alta tensione e nessuna schermatura massiccia superconduttrice. Inoltre, permette il controllo dinamico: la tensione può essere regolata in tempo reale sulla base del flusso di radiazione. Tuttavia, la schermatura elettrica è meno efficace contro particelle neutre o neutroni, e le alte tensioni pongono rischi per equipaggio e attrezzature.

Vantaggi chiave sopra Schermatura passiva tradizionale

  • Massa redotta: La schermatura a base di campo può ottenere una riduzione della dose paragonabile o migliore con una frazione della massa. Un magnete toroidale superconduttore di peso di 1-3 tonnellate metriche potrebbe fornire attenuazione equivalente a 10-20 tonnellate di polietilene o acqua.
  • Protezione Adattativa[[]: I sistemi attivi possono essere attivati durante gli eventi solari e zittiti durante periodi di silenzio, risparmiando energia e prolungando la vita dei componenti. Possono anche essere sintonizzati per deviare le energie specifiche delle particelle regolando la forza del campo o la tensione.
  • Radiazione secondaria micronizzata[]: A differenza della schermatura passiva, che genera neutroni secondari e raggi gamma dalle interazioni nucleari, la deflezione magnetica non crea particelle secondarie significative, le particelle sono semplicemente allontanate, riducendo il rischio biologico dalle radiazioni prodotte internamente.
  • Integrazione con sistemi Spacecraft[[[]]: I magneti Superconduttori possono essere integrati in elementi strutturali come le pareti dell'habitat gonfiabile o la capriata della sonda spaziale. Il sistema di raffreddamento per i magneti può condividere criocooler con altri strumenti scientifici o stoccaggio del carburante.
  • Potential for Power Generation[[]: Il forte campo magnetico richiesto per la schermatura potrebbe essere utilizzato anche per generare energia elettrica tramite principi magnetoidrodinamici (MHD) se la sonda si sta muovendo attraverso un plasma cosmico, anche se questo rimane speculativo.

Sfide tecniche e operative

Nonostante la loro promessa, le tecnologie di schermatura basate sul campo affrontano ostacoli significativi prima che possano volare in missioni operative.

Potenza di consumo e gestione del calore

Mentre i magneti superconduttori non consumano energia quando il campo è stabilito (modalità costante), la ricarica iniziale e i criocooler necessari per mantenere le temperature criogeniche richiedono una notevole energia. Un sistema di alimentazione tipica (la gamma di kilowatt) potrebbe non essere sufficiente. Per la schermatura elettrica, mantenere centinaia di chilovolti a bassa corrente richiede anche alimentatori isolati e un isolamento robusto.

Interazioni di campo magnetiche

I campi magnetici forti possono interferire con avionica, strumenti sensibili e salute dell’equipaggio. Un campo da 1 T vicino all’equipaggio potrebbe influenzare i pacemaker cardiaci, indurre correnti esperte e disgregazioni. Sono necessari schermatura magnetica dell’elettronica (involucri di m-metal) e un corretto confinamento del campo ( geometria toroidale) .

Chiodatura e sicurezza

Se un magnete superconduttore (perde superconduttività dovuta ad un aumento della temperatura o a uno shock meccanico), l'energia immagazzinata viene scaricata come calore, potenzialmente danneggiare le bobine e rilasciare la forza magnetica pericolosa. I sistemi ridondanti, i circuiti di protezione della quench e il supporto meccanico robusto sono necessari.

Degradazione dei materiali

I flussi neutroni e gamma possono degradare la densità di corrente critica dei superconduttori nel tempo. Scudo le avvolgimento con materiali leggeri aggiunge massa ma può essere necessario per lunghe missioni. European Space Agency (ESA)]] sta indagando i nastri di protezione passiva e i nastri di sovraconduzione.

Ricerca e Prototipi di prossimità

Diversi enti e gruppi di ricerca spaziali stanno attivamente avanzando tecnologie di schermatura magnetica ed elettrica.

ARES e concetti correlati della NASA

Il programma di Raggio di Active Active Radiation Shielding (ARES)] ha esplorato sia le opzioni magnetiche che quelle elettriche. Un concetto notevole è il “Magnetic Shielding for Crew” utilizzando una serie di modelli di sovraconduttori ad alta temperatura, che si basano sull’efficienza dell’habitat, combinati con uno strato esterno di materiale passivo leggero per gestire particelle a bassa energia.

Studio Superconduttore dello scudo dell’ESA

Il progetto utilizza una bobina toroidale di diboride di magnesio (MgB2) superconduttore, che può operare a 20-30 K e offre una densità di corrente relativamente elevata. Il sistema è progettato per essere leggero (≈1,5 t), e il raffreddamento criogenico è fornito da una combinazione di criogenici immagazzinati e un piccolo fattore di riduzione di dose di criogenico 3CR indica i risultati.

Dimostrazioni elettriche di schermatura

I prototipi di schermatura elettrica su piccola scala sono stati testati in camere sottovuoto, dimostrando che una piastra carica positivamente può deflettare i protoni. Tuttavia, la scalatura a una velivolosa completa affronta le sfide con la rottura della tensione nel plasma tenue spazio. Alcuni ricercatori propongono di utilizzare una combinazione di campi elettrici e magnetici in una "bolla plasma" dove la sonda diventa un corpo carico circondato da un plasma a basso profilo magnetico.

Conclusione: Uno scudo per le prossime grandi spedizioni

L'ambiente di radiazione aspro al di là dell'orbita bassa della Terra è una barriera che non può essere ignorata. La schermatura del campo magnetico ed elettrico offre un percorso per proteggere la salute dell'equipaggio senza imporre le sanzioni di massa proibitive delle pareti passive tradizionali. Mentre l'ingegneria è formidabile - la gestione criogenica, le alte tensioni, le interazioni sul campo e la sicurezza - il progresso è in corso di superconduttore tecnologia, sistemi di potenza e di simulazione.

A breve termine, un approccio ibrido sembra molto probabile: uno scudo magnetico primario per GCR integrato da uno scudo elettrico o da un rifugio di tempesta dispiegabile per eventi SEP. Un sistema che potrebbe essere testato sulla superficie lunare o in una stazione di cislunar prima di essere integrato in un veicolo di transito profondo-spazio. Come i ricercatori continuano a perfezionare questi concetti, il sogno di inviare la realtà si muove più vicino a Marte.