登陸火星一直是人類的夢(mèng)想,無(wú)數(shù)科學(xué)家、工程技術(shù)人員正在默默耕耘、積極探索,為實(shí)現(xiàn)這個(gè)偉大夢(mèng)想而不懈努力。但是,通往火星的道路并不平坦,其艱巨程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人們的想象。因?yàn)檫@意味著不僅需要投入巨額資金,突破大量關(guān)鍵技術(shù),研制出可靠的火箭和飛船,還要保證火星航天員的安全和健康。
前往火星的發(fā)射窗口,大約每?jī)赡瓴庞幸淮�。從地球出發(fā)到達(dá)火星,單程需要半年的時(shí)間,從火星返回地球也需要半年左右的時(shí)間,因此航天員執(zhí)行一次火星任務(wù)至少需要三年時(shí)間。
三年多的火星任務(wù)中,航天員需要消耗大量的食物、氧氣和飲用水。如果乘組為6名航天員,每人每天消耗0.9千克氧氣、0.6千克食品和2.5千克水,如此一來(lái),僅此三項(xiàng)三年時(shí)間總消耗量就達(dá)26 280千克。因此,火星飛船必須采用再生式生命保障系統(tǒng),對(duì)水和氧氣進(jìn)行再生和循環(huán),甚至應(yīng)通過(guò)受控生態(tài)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)食物的在軌生產(chǎn)。此外,前往火星,運(yùn)載火箭必須要有足夠推力,飛船等設(shè)備具有高可靠性、易于維修,以保證飛行過(guò)程中一旦出現(xiàn)故障,航天員能對(duì)乘坐的飛船進(jìn)行維修。
登陸火星過(guò)程中,航天員會(huì)遇到上述的諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。然而,最大的挑戰(zhàn)還是如何保證航天員的安全和健康。前往火星的漫漫旅途中,航天員會(huì)長(zhǎng)期處于失重狀態(tài),這種狀態(tài)會(huì)使航天員產(chǎn)生肌肉萎縮、骨鈣丟失、立位耐力降低等問(wèn)題,影響航天員的健康。狹小的生存環(huán)境,也會(huì)給航天員的心理帶來(lái)嚴(yán)峻考驗(yàn)。人類經(jīng)過(guò)40多年的載人航天實(shí)踐,特別是通過(guò)對(duì)“和平”號(hào)空間站和國(guó)際空間站的使用,摸索出多種行之有效的對(duì)抗措施,航天員最長(zhǎng)的單次太空停留時(shí)間已達(dá)438天,為前往火星所須面對(duì)的挑戰(zhàn)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。
我們知道,在地球低軌道如國(guó)際空間站進(jìn)行載人航天飛行時(shí),輻射對(duì)航天員的健康影響不大。這是因?yàn)榈厍蛑車嬖谝粋�(gè)磁場(chǎng),能夠俘獲大部分宇宙射線,對(duì)航天員的健康起到很好的保護(hù)作用。只有當(dāng)發(fā)生太陽(yáng)質(zhì)子事件時(shí),才需要對(duì)航天員進(jìn)行特別輻射防護(hù)。但是,如果航天員離開(kāi)地球前往火星,地球磁場(chǎng)的保護(hù)作用鞭長(zhǎng)莫及,宇宙射線的輻射就會(huì)對(duì)航天員的身體健康帶來(lái)巨大威脅。而關(guān)于長(zhǎng)期輻射對(duì)人體的影響、相應(yīng)的對(duì)抗措施,人類還沒(méi)有多少經(jīng)驗(yàn)。因此,在火星旅行過(guò)程中,航天員健康的最大威脅并不是失重,而是宇宙輻射。
宇宙輻射
宇宙輻射主要包括電磁輻射和電離輻射。我們常說(shuō)的無(wú)線電波、微波、紅外線、可見(jiàn)光、紫外線等就屬于電磁輻射,它們貫穿物體的能力差,對(duì)人體的危害相對(duì)較小;而電離輻射則有相當(dāng)強(qiáng)的貫穿物質(zhì)的能力,可以使物體材料和生物細(xì)胞受到損害,對(duì)人體的危害非常大。
前往火星的旅途中,航天員遇到的電離輻射主要有兩種:銀河宇宙射線(Galactic Cosmic Rays, GCR)和太陽(yáng)射線。
銀河宇宙射線的來(lái)源還不清楚,但可以肯定,它們來(lái)自太陽(yáng)系外,具有各向同性,也就是說(shuō),它們來(lái)自各個(gè)方向。銀河宇宙射線還是一種高能帶電粒子流,粒子的能量可以高達(dá)1 020eV。這種粒子的主要成分是質(zhì)子(約占85%)、α粒子(約占13%)以及原子序數(shù)大于2的元素的原子核(約占2%)。在原子序數(shù)大于2的原子核中,有一類稱為高能重離子,不僅原子序數(shù)大,而且能量極高,在銀河宇宙射線中危害最大。它不僅能穿透載人飛船座艙的艙壁,而且擊中人體后能引起組織器官的嚴(yán)重?fù)p傷。銀河宇宙射線的最大通量為每秒鐘每平方厘米4個(gè)質(zhì)子、0.4個(gè)氦離子、0.04個(gè)高能重離子,平均粒子通量為每秒鐘每平方厘米2.5個(gè)粒子。人體細(xì)胞的細(xì)胞核橫截直徑大約為100微米,如果沒(méi)有任何防護(hù),每個(gè)細(xì)胞核平均每3天就會(huì)被質(zhì)子擊中一次,每月被氦離子擊中一次,每年被高能重離子擊中一次。
太陽(yáng)射線是來(lái)自太陽(yáng)質(zhì)子事件所發(fā)射的帶電粒子。太陽(yáng)會(huì)持續(xù)產(chǎn)生低能量粒子流,主要成分為質(zhì)子,也就是我們所熟悉的太陽(yáng)風(fēng)。太陽(yáng)風(fēng)不會(huì)產(chǎn)生很大的輻射危害。當(dāng)太陽(yáng)表面出現(xiàn)大耀斑時(shí),會(huì)發(fā)射大量高能帶電粒子,這種現(xiàn)象稱為太陽(yáng)質(zhì)子事件。由于太陽(yáng)質(zhì)子事件的輻射能量很高,因此對(duì)航天員有很大危害。太陽(yáng)質(zhì)子事件發(fā)射的帶電粒子絕大多數(shù)是質(zhì)子,其次是α粒子,原子序數(shù)大于3的粒子很少。有些太陽(yáng)質(zhì)子事件中觀測(cè)到碳、氮和氧的重核,數(shù)量?jī)H為α粒子的1/6。另外還可以觀測(cè)到原子序數(shù)為22~30的超重核,不過(guò)數(shù)量更少。太陽(yáng)質(zhì)子事件可持續(xù)數(shù)小時(shí),甚至持續(xù)數(shù)天。太陽(yáng)質(zhì)子事件的發(fā)生和強(qiáng)度與太陽(yáng)活動(dòng)周期有關(guān),太陽(yáng)耀斑的數(shù)量和位置呈現(xiàn)出11年的周期性。在太陽(yáng)活躍的極大年,發(fā)生太陽(yáng)質(zhì)子事件的可能性較大。因此根據(jù)太陽(yáng)活動(dòng)周期,可對(duì)太陽(yáng)質(zhì)子事件作一定程度的預(yù)測(cè)。
輻射對(duì)身體的影響
銀河宇宙射線和太陽(yáng)質(zhì)子事件產(chǎn)生的都是初級(jí)粒子。當(dāng)這些初級(jí)粒子穿過(guò)人體時(shí),還會(huì)產(chǎn)生大量的次級(jí)粒子,這些次級(jí)粒子導(dǎo)致細(xì)胞生物效應(yīng),引起DNA損傷和突變。因此,研究輻射對(duì)火星航天員的危害時(shí),既要考慮初級(jí)粒子,也要考慮次級(jí)粒子。
輻射的生物效應(yīng)主要分為早期效應(yīng)和遠(yuǎn)期效應(yīng)�；鹦秋w行過(guò)程中,早期效應(yīng)的發(fā)生概率比較低。一般認(rèn)為,早期效應(yīng)主要來(lái)自太陽(yáng)質(zhì)子事件。如果發(fā)生太陽(yáng)質(zhì)子事件時(shí),輻射劑量很大,而航天員又缺乏足夠的防護(hù)措施,就可能發(fā)生早期效應(yīng)。早期效應(yīng)主要有皮膚紅腫、脫發(fā)、輻射病、急性輻射綜合癥等。輻射強(qiáng)度達(dá)到6Gy時(shí),皮膚出現(xiàn)紅腫和脫發(fā),輻射強(qiáng)度達(dá)到15~20Gy時(shí),會(huì)發(fā)生濕性脫皮。當(dāng)1天內(nèi)受到的輻射劑量超過(guò)1Sv時(shí),數(shù)小時(shí)內(nèi)就會(huì)發(fā)生惡心和嘔吐的輻射病癥狀。急性輻射綜合癥一般發(fā)生在受到輻射后的2~4周,輻射劑量為1.5~2.0Sv時(shí),出現(xiàn)骨髓抑制;輻射劑量為3Sv時(shí),死亡率為10%;輻射劑量為4Sv時(shí),死亡率為90%。如果航天員遭受輻射后,得到及時(shí)治療,早期效應(yīng)造成的疾病可能痊愈,但是會(huì)留下長(zhǎng)期效應(yīng)。如果放射病情嚴(yán)重,又未得到及時(shí)有效的治療,就會(huì)有生命危險(xiǎn)。
由于火星載人飛行過(guò)程中,發(fā)生早期效應(yīng)的概率較低,人們更關(guān)注遠(yuǎn)期效應(yīng)。遠(yuǎn)期效應(yīng)主要包括:癌癥、中樞神經(jīng)損傷和白內(nèi)障等。癌癥是科學(xué)家最為關(guān)注的,對(duì)航天員的健康威脅也最大。但是,目前關(guān)于癌癥的風(fēng)險(xiǎn)分析,主要是根據(jù)二戰(zhàn)日本原子彈幸存者調(diào)查得出,還沒(méi)有人體試驗(yàn)數(shù)據(jù)。科學(xué)家用老鼠進(jìn)行了大量的動(dòng)物試驗(yàn),據(jù)此推測(cè)對(duì)人的影響,推算人體輻射安全劑量標(biāo)準(zhǔn)。
研究人員認(rèn)為,火星飛行過(guò)程中,婦女遭遇的風(fēng)險(xiǎn)更大。由于乳房和卵巢的緣故,女性航天員面臨的危險(xiǎn)幾乎是男性航天員的兩倍。
人們還擔(dān)心,火星飛行過(guò)程中,如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施,宇宙輻射、長(zhǎng)期失重和低重力的生理影響,可能會(huì)使航天員完全喪失生育能力,因此,有人甚至建議火星航天員選拔50歲以上的人,因?yàn)檫@個(gè)年齡段已經(jīng)過(guò)了生育年齡。
如何防護(hù)輻射
首先,在執(zhí)行火星飛行任務(wù)時(shí),根據(jù)空間天氣預(yù)報(bào),盡量避開(kāi)太陽(yáng)質(zhì)子事件,選擇最佳飛行時(shí)間,減少航天員遭受大劑量宇宙輻射的風(fēng)險(xiǎn)。載人火星時(shí)間選擇在太陽(yáng)活動(dòng)的極小年,可以避免大的太陽(yáng)質(zhì)子事件導(dǎo)致的大劑量輻射暴露。
人體對(duì)輻射的反應(yīng)存在很大的個(gè)體差異,不同的人對(duì)同樣劑量的輻射,身體反應(yīng)有很大不同。因此,選拔火星航天員時(shí),應(yīng)選拔那些對(duì)輻射不敏感的航天員。這樣,在相同的輻射暴露情況下,航天員受到的傷害會(huì)小些。
對(duì)航天員進(jìn)行屏蔽是解決輻射問(wèn)題最根本的方法。屏蔽包括主動(dòng)屏蔽和被動(dòng)屏蔽。主動(dòng)屏蔽是通過(guò)在航天器周圍建立強(qiáng)電磁場(chǎng),使帶電粒子偏離飛行器,從而達(dá)到屏蔽的目的。其原理類似于地球磁場(chǎng)對(duì)地球的保護(hù)作用。
事實(shí)上,NASA已經(jīng)開(kāi)展了類似研究,探索利用球體“電場(chǎng)”對(duì)空間輻射進(jìn)行防護(hù),并提出在月球基地建設(shè)過(guò)程中,利用電場(chǎng)屏蔽,防護(hù)宇宙輻射。他們?cè)O(shè)想,在月球基地上方安裝6個(gè)可充氣的導(dǎo)電球體,隨后對(duì)球體進(jìn)行充電,達(dá)到極高的靜電勢(shì)—100兆伏或更高。
被動(dòng)防護(hù)是指用航天器本身的材料或其它防輻射材料做成的屏蔽。由于銀河宇宙射線具有各向同性,輻射來(lái)自各個(gè)方向,因此需要防護(hù)來(lái)自各個(gè)方向上的射線。銀河宇宙射線中的高能重粒子具有非常強(qiáng)的貫穿能力,有效屏蔽各個(gè)方向上的輻射,材料要有相當(dāng)?shù)暮穸?這會(huì)使飛船極端笨重,甚至根本不可行。
實(shí)際上,地球早期生命最早面對(duì)的就是輻射問(wèn)題,一方面需要吸收太陽(yáng)光的能量,進(jìn)行光合作用,另一方面,還要防護(hù)太陽(yáng)光中有害射線的傷害,如紫外線等。這些早期生命在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中,形成了很多輻射防護(hù)方法,如防護(hù)層、自我修復(fù)、脫水干燥等。通過(guò)仿生學(xué),人類也許會(huì)找到很好的輻射防護(hù)方法。讓人體完全脫水,變成像木乃伊一樣,躲避長(zhǎng)期星際飛行中的輻射傷害,到達(dá)目的地后,再進(jìn)行復(fù)水,使人復(fù)活,這也許有太多的科幻成份。但是科學(xué)家確實(shí)在考慮,通過(guò)基因工程技術(shù),制造出超級(jí)航天員,使航天員體內(nèi)的細(xì)胞在遭受輻射后,能進(jìn)行自我修復(fù)。
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