火星周圍電磁流的科學可視化。圖片來源：NASA/Goddard/MAVEN/CU Boulder/SVS/Cindy Starr

火星正在呼喚我們。至少，這是人們在研究未來十年所有計劃和提議的紅色星球任務時得到的印象。目前有如此多的航天機構向那里發送任務以描述其環境、大氣和地質歷史，載人任務似乎指日可待。事實上，美國宇航局和中國都明確表示，他們打算在 2030 年代初向火星發射任務，最終將創造地表棲息地。

為了確保宇航員在運輸途中和火星表面的健康和安全，科學家們正在研究幾種輻射防護方法。在最近的一項研究中，藍色大理石太空科學研究所 (BMSIS) 的一個團隊研究了如何使用各種材料制作防輻射結構。這包括從地球帶來的材料和可以直接從火星環境中收獲的材料。這與就地資源利用 (ISRU) 流程保持一致，在該流程中，利用當地資源來滿足宇航員機組人員和任務的需求。

該研究由 BMSIS 訪問學者、希臘帕特雷大學物理學專業畢業生 Dionysios Gakis 領導。BMISIS 的高級研究研究員、紐約大學阿布扎比分校空間科學中心的物理學教授和 Gakis 的學術顧問 Dimitra Atri 博士加入了他的行列。描述他們發現的論文(“模擬輻射屏蔽材料在火星上保護宇航員的有效性”)正在考慮由Acta Astronautica出版。

由于大氣層稀薄且缺乏行星磁場，火星輻射環境比地球危險得多。在地球上，發達國家的人們每年平均受到 0.62 拉德(6.2 毫希)的輻射，而火星表面每年受到約 24.45 拉德(244.5 毫希)的輻射——當太陽事件(又名太陽耀斑)時甚至更多發生。

正如阿特里博士通過電子郵件，這種輻射有幾種形式：“銀河宇宙射線由帶電粒子組成，其能量是可見光的十億倍(或更多)。它們可以穿透屏蔽層并造成無法彌補的損害人體。此外，太陽風暴有時可以將帶電粒子加速到非常高的能量(太陽高能粒子)，這可能會造成類似的損害。來自宇宙射線的輻射量是高度可預測的，而太陽風暴則很難預測。

在他們的研究中，Gakis 和 Atri 博士研究了可以運輸到火星或就地收獲的各種屏蔽材料的特性。這些材料包括航空航天工業中常見的材料——如鋁、聚乙烯、環己烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酯薄膜和凱夫拉爾——以及水、碳纖維液態氫和火星風化層。正如 Gakis 解釋的那樣，他們使用 GEANT4數值模型評估了這些材料中的每一種——這是一個使用統計蒙特卡羅方法模擬粒子穿過物質的軟件套件。

火星冰屋概念。圖片來源：NASA Langley/Clouds Architecture Office/SEARch+

“我們建立了一個火星的計算模型，并測量了一個假設的人類幻影(代表一名宇航員)內的宇宙能量沉積，”他說。“在到達宇航員之前，設置了一層材料屏蔽來吸收部分輻射。就輻射防護而言，最有效的材料是那些讓最少能量通過宇航員身體的材料。”

他們的結果表明，富含氫的材料(即水冰)對 GCR 具有可預測的響應，因此是抵御宇宙射線的最佳方法。他們進一步發現風化層具有中等響應，因此可用于額外的屏蔽——尤其是與鋁結合時。

Gakis 說：“例如，雖然沒有發現鋁與其他材料一樣有效，但它仍然有助于降低輻射劑量，我們主張將其與其他材料結合使用。火星風化層具有相似的行為，并且具有作為原位材料，不需要我們從地球上攜帶。”

NASA 和其他航天機構正在評估幾種設計、材料和技術，這些設計、材料和技術將允許在月球、火星和其他地方創造棲息地。特別是，美國宇航局和中國國家航天局 (CNSA) 正計劃在未來十年內執行載人火星任務，該任務將每 26 個月發射一次(從 2033 年開始)，并最終在火星表面創造棲息地。根據 Gakis 和 Atri 博士的分析，這些棲息地很可能由一個內部結構組成，該結構使用從地球以低成本運輸的輕質材料制成。

Marsha 概念是一項關于火星表面棲息地的提議，該棲息地使用當地和任務生成的材料自主建造。信用：美國國家航空航天局/人工智能。太空工廠

在鋁和碳纖維的情況下，它們可以使用從火星巖石中開采的鋁和從其大氣中收集的碳就地生產。然后可以使用當地采集的水冰和風化層進行防護，機器人將 3D 打印這些材料以創建保護性上層建筑。這樣的棲息地將使遠在地球之外的長期任務成為可能，甚至可能成為人類在太空中永久定居的墊腳石。

“輻射是人類必須解決的眾多問題之一，以成功完成人類對紅色星球的[探索]，”Gakis 總結道。“我們相信，我們的研究是了解宇宙射線在火星環境中的破壞性影響以及為未來的載人火星任務規劃有效的緩解策略的又一步。”