Es ist das Jahr 2027 und die Vision der NASA für die Weltraumforschung schreitet planmäßig voran. Auf halber Strecke bricht jedoch eine gigantische Sonneneruption aus, die tödliche Strahlung direkt auf das Raumschiff ausstößt. Aufgrund von Forschungen des ehemaligen Astronauten Jeffrey Hoffman und einer Gruppe von MIT-Kollegen im Jahr 2004 verfügt dieses Fahrzeug über ein hochmodernes supraleitendes magnetisches Abschirmsystem, das die menschlichen Insassen vor tödlichen Sonnenemissionen schützt.
Neue Forschungen haben kürzlich begonnen, die Verwendung der supraleitenden Magnettechnologie zum Schutz von Astronauten vor Strahlung während lang anhaltender Raumflüge zu untersuchen, wie beispielsweise die interplanetaren Flüge zum Mars, die in der aktuellen Vision der NASA zur Weltraumforschung vorgeschlagen werden.
Der Hauptforscher für dieses Konzept ist der ehemalige Astronaut Dr. Jeffrey Hoffman, der jetzt Professor am Massachusetts Institute of Technology (MIT) ist.
Hoffmans Konzept ist einer von 12 Vorschlägen, die im vergangenen Monat vom NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC) finanziert wurden. Jeder erhält 75.000 US-Dollar für sechs Monate Forschung, um erste Studien durchzuführen und Herausforderungen bei der Entwicklung zu identifizieren. Projekte, die diese Phase durchlaufen, können über einen Zeitraum von zwei Jahren bis zu 400.000 USD mehr erhalten.
Das Konzept der magnetischen Abschirmung ist nicht neu. Wie Hoffman sagt: "Die Erde tut es seit Milliarden von Jahren!"
Das Erdmagnetfeld lenkt kosmische Strahlen ab, und ein zusätzliches Maß an Schutz kommt von unserer Atmosphäre, die jegliche kosmische Strahlung absorbiert, die durch das Magnetfeld gelangt. Die Verwendung einer magnetischen Abschirmung für Raumfahrzeuge wurde erstmals in den späten 1960er und frühen 70er Jahren vorgeschlagen, jedoch nicht aktiv verfolgt, als Pläne für eine Langzeit-Raumfahrt auf der Strecke blieben.
Die Technologie zur Erzeugung supraleitender Magnete, die starke Felder erzeugen können, um Raumfahrzeuge vor kosmischer Strahlung zu schützen, wurde jedoch erst kürzlich entwickelt. Supraleitende Magnetsysteme sind wünschenswert, da sie intensive Magnetfelder mit geringer oder keiner elektrischen Leistungsaufnahme erzeugen können und bei geeigneten Temperaturen ein stabiles Magnetfeld über lange Zeiträume aufrechterhalten können. Eine Herausforderung besteht jedoch darin, ein System zu entwickeln, das ein Magnetfeld erzeugen kann, das groß genug ist, um ein bewohnbares Raumschiff in Busgröße zu schützen. Eine weitere Herausforderung besteht darin, das System bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (0 Kelvin, -273 ° C, -460 ° F) zu halten, was den Materialien supraleitende Eigenschaften verleiht. Jüngste Fortschritte in der supraleitenden Technologie und in den Materialien haben supraleitende Eigenschaften bei mehr als 120 K (-153 ° C, -243 ° F) geliefert.
Es gibt zwei Arten von Strahlung, die für eine lang anhaltende menschliche Raumfahrt behandelt werden müssen, sagt William S. Higgins, ein technischer Physiker, der bei Fermilab, dem Teilchenbeschleuniger in der Nähe von Chicago, IL, an der Strahlungssicherheit arbeitet. Die ersten sind Sonneneruptionsprotonen, die nach einem Sonneneruptionsereignis in Schüben auftreten würden. Die zweite sind galaktische kosmische Strahlen, die zwar nicht so tödlich sind wie Sonneneruptionen, aber eine kontinuierliche Hintergrundstrahlung sind, der die Besatzung ausgesetzt wäre. In einem nicht abgeschirmten Raumschiff würden beide Arten von Strahlung zu erheblichen Gesundheitsproblemen oder zum Tod der Besatzung führen.
Der einfachste Weg, um Strahlung zu vermeiden, besteht darin, sie zu absorbieren, wie das Tragen einer Bleischürze, wenn Sie beim Zahnarzt eine Röntgenaufnahme machen. Das Problem ist, dass diese Art der Abschirmung oft sehr schwer sein kann und die Masse bei unseren derzeitigen Raumfahrzeugen sehr hoch ist, da sie von der Erdoberfläche aus gestartet werden müssen. Laut Hoffman können Sie es auch noch schlimmer machen, wenn Sie nur ein wenig Abschirmung verwenden, da die kosmischen Strahlen mit der Abschirmung interagieren und sekundär geladene Teilchen erzeugen können, wodurch die Gesamtstrahlungsdosis erhöht wird.
Hoffman sieht die Verwendung eines Hybridsystems vor, das sowohl ein Magnetfeld als auch eine passive Absorption verwendet. "So macht es die Erde", erklärte Hoffman, "und es gibt keinen Grund, warum wir das im Weltraum nicht können sollten."
Eine der wichtigsten Schlussfolgerungen für die zweite Phase dieser Forschung wird sein, festzustellen, ob die Verwendung der supraleitenden Magnettechnologie massenwirksam ist. "Ich habe keinen Zweifel daran, dass wenn wir es groß genug und stark genug bauen, es Schutz bietet", sagte Hoffman. "Aber wenn die Masse dieses leitenden Magnetsystems größer ist als die Masse, nur um eine passive (absorbierende) Abschirmung zu verwenden, warum dann all diese Probleme machen?"
Aber das ist die Herausforderung und der Grund für diese Studie. "Das ist Forschung", sagte Hoffman. "Ich bin auf die eine oder andere Weise nicht parteiisch. Ich möchte nur herausfinden, was der beste Weg ist. "
Unter der Annahme, dass Hoffman und sein Team nachweisen können, dass die supraleitende magnetische Abschirmung massenwirksam ist, würde der nächste Schritt darin bestehen, ein ausreichend großes (wenn auch leichtes) System zu entwickeln und die Magnete bei ultrakalter supraleitender Magneten fein abzustimmen Temperaturen im Raum. Der letzte Schritt wäre die Integration eines solchen Systems in ein marsgebundenes Raumschiff. Keine dieser Aufgaben ist trivial.
Die Untersuchungen zur Aufrechterhaltung der Magnetfeldstärke und der nahezu absoluten Nulltemperaturen dieses Systems im Weltraum finden bereits in einem Experiment statt, das für einen dreijährigen Aufenthalt an der Internationalen Raumstation durchgeführt werden soll. Das Alpha-Magnetspektrometer (AMS) wird an der Außenseite der Station angebracht und sucht nach verschiedenen Arten kosmischer Strahlung. Es wird einen supraleitenden Magneten verwenden, um den Impuls jedes Teilchens und das Vorzeichen seiner Ladung zu messen. Peter Fisher, ein Physikprofessor vom MIT, arbeitet am AMS-Experiment und arbeitet mit Hoffman an der Erforschung supraleitender Magnete. Ein Doktorand und ein Wissenschaftler arbeiten ebenfalls mit Hoffman zusammen.
NIAC wurde 1998 gegründet, um revolutionäre Konzepte von Menschen und Organisationen außerhalb der Weltraumbehörde zu erbitten, die die Missionen der NASA vorantreiben könnten. Die Gewinnerkonzepte werden ausgewählt, weil sie laut NASA „die Grenzen bekannter Wissenschaft und Technologie überschreiten“ und „Relevanz für die NASA-Mission zeigen“. Die Entwicklung dieser Konzepte wird voraussichtlich mindestens ein Jahrzehnt dauern.
Hoffman flog fünfmal ins All und war der erste Astronaut, der mehr als 1.000 Stunden mit dem Space Shuttle loggte. Auf seinem vierten Raumflug nahm Hoffman 1993 an der ersten Hubble-Weltraumteleskop-Wartungsmission teil, einer ehrgeizigen und historischen Mission, die das Problem der sphärischen Aberration im Primärspiegel des Teleskops korrigierte. Hoffman verließ das Astronautenprogramm 1997, um der europäische Vertreter der NASA bei der US-Botschaft in Paris zu werden, und ging 2001 zum MIT.
Hoffman weiß, dass, um eine Weltraummission zu ermöglichen, eine Menge Ideenentwicklung und hartes Engineering vorausgehen. "Wenn es darum geht, Dinge im Weltraum zu tun, wenn Sie ein Astronaut sind, gehen Sie und tun Sie es mit Ihren eigenen Händen", sagte Hoffman. "Aber du fliegst nicht für immer im Weltraum und ich würde trotzdem gerne einen Beitrag leisten."
Ist seine aktuelle Forschung für ihn genauso wichtig wie die Reparatur des Hubble-Weltraumteleskops?
"Nun, nicht im unmittelbaren Sinne", sagte er. „Andererseits müssen wir in der Lage sein, in Regionen zu leben und zu arbeiten, in denen die Umgebung mit geladenen Teilchen ziemlich streng ist, wenn wir jemals eine menschliche Präsenz im gesamten Sonnensystem haben wollen. Wenn wir keinen Weg finden, uns davor zu schützen, wird dies ein sehr begrenzender Faktor für die Zukunft der menschlichen Erforschung sein. "
