Какие материалы обеспечивают наилучшую защиту от космического излучения?

Об этом есть довольно хорошая страница в Википедии , где перечислены несколько вариантов:

• Вода обеспечивает довольно хорошую радиационную защиту (также обсуждается здесь с наземным излучением ), но она относительно тяжелая и расходуется во время полета.
• Жидкий водород тоже хорош, и используется как топливо, так что он уже будет на борту. Однако это тоже расходуется во время полета.
• Мы могли бы изменить материалы, из которых сделаны космические корабли. Поскольку материалы, богатые водородом, хорошо защищают от наиболее распространенных типов космического излучения, некоторые пластмассы могут сработать. Тем не менее, это потребует некоторого реинжиниринга, чтобы быть практичным.
• Как сказал JKor, человеческие отходы работают хорошо, но есть проблемы с «грубостью». Однако он уникален тем, что во время полета он увеличивается, а не уменьшается, поэтому он может дополнять жидкий водород и воду.

Одна из самых больших проблем с дополнительным экранированием заключается в том, что оно имеет тенденцию быть тяжелым, а больший вес == больше стоимость.

На странице Википедии упоминается активное магнитное экранирование, но на данный момент это в основном теоретическая идея.

Экранирование также важно для беспилотных миссий (хотя и не так сильно), поскольку радиация может воздействовать на компьютерные системы, мешая магнитному хранилищу — см. эту статью National Geographic и этот пресс-релиз НАСА, где приведен пример такого события, происходящего на «Вояджере-2». .

Что касается потенциального путешествия в нашей Солнечной системе, нас беспокоят два основных типа излучения!

Первый тип излучения — это солнечное излучение, которое в основном состоит из протонов с низкими и средними энергиями, электронов и рентгеновских лучей нашей собственной звезды. Мы будем защищать от протонов материалы с низкой молекулярной массой. Обычно для этого используются водородосодержащие материалы, такие как литий-гидрид, из-за того, насколько они эффективны для остановки протонов, а также нейтронов, которые могут исходить из будущих реакторов, и из-за их легкости. Электроны и фотоны (рентгеновские лучи) лучше всего останавливаются материалами с высоким Z. Материалы с высоким Z состоят из элементов, у которых много электронов на атом. Хотя материалы с высоким Z используются для остановки электронов и фотонов, они также полезны для остановки других заряженных частиц, включая помощь с протонами.

Второй тип излучения — галактические космические лучи (ГКЛ). GCR обычно представляют собой массивные частицы с очень высокой энергией, такие как атомы углерода и железа. Из-за их энергетической природы и того, насколько массивны эти частицы, их очень трудно остановить. Для остановки GCR требуются толстые слои материалов с высоким Z, которые обычно плотные и тяжелые. Тяжелая защита стоит дорого и ее трудно доставить в космос. Я не буду заходить так далеко, чтобы сказать, что мы не можем защитить от GCR, но я скажу, что вес современных экранирующих материалов создает впечатление, что современные подходы к экранированию GCR непрактичны.

Наша звезда является звездой главной последовательности типа G, которая производит гелий в результате протон-протонного синтеза в своем ядре. Из-за динамики синтеза в нашей звезде ионизированные нуклиды гелия являются основным продуктом этого синтеза. Однако некоторая часть гелия, полученного в результате протонно-протонного синтеза, сама сплавляется, в результате чего образуется углерод. По мере того, как звезды становятся более массивными, они начинают синтезировать более тяжелые элементы, которые могут быть выброшены в космос. Железо-56 — это самый тяжелый элемент, который может быть получен из традиционных звезд, причем самые тяжелые элементы производятся гораздо более энергичными событиями, такими как сверхновая.

Энергия, полученная в результате слияния этих изотопов, ионизирует газы у края нашей звезды, производя большое количество протонов и электронов, которые выбрасываются в космос во время корональных выбросов массы. Численно говоря, большая часть излучения нашей звезды, а также других звезд имеет форму протонов, электронов и фотонов с меньшим количеством тяжелых нуклидов. Статистически говоря, чем тяжелее нуклиды, тем реже их можно найти в космосе. Хотя я в основном говорю о нашей звезде, то же самое относится и к другим звездам, независимо от их массы.

Другие звезды действительно производят протоны, электроны и фотоны, которые устремляются в нашу солнечную сферу влияния; однако эти другие звезды испускают излучение во всех направлениях, и лишь очень небольшая часть из них выбрасывается в узком углу конуса, чтобы попасть в нашу Солнечную систему. Большая часть заряженного излучения других звезд также отклоняется магнитным полем Солнца. В результате подавляющее большинство протонов и электронов в нашей Солнечной системе было выброшено из нашей звезды, а не из других звезд, а те, которые не выброшены, в основном имеют ту же энергию, что и протоны и электроны, выброшенные из нашей собственной звезды. Из-за этого мы по существу пренебрегаем несолнечными протонами и электронами в наших расчетах радиационного облучения, потому что их влияние на поглощенную дозу незначительно.

Однако тяжелые элементы, выбрасываемые сверхэнергетическими событиями, такими как сверхновая, движутся со скоростью, близкой к скорости света, и в результате оказывают глубокое воздействие на биологические ткани и электронику, с которыми они сталкиваются. Несмотря на то, что они составляют очень небольшую долю от общего количества частиц на единицу объема в космосе, влияние, которое они могут оказывать на поглощенную дозу, нельзя не принимать во внимание. Поэтому, когда мы говорим о галактических космических лучах, мы обычно говорим об энергичных тяжелых ионах внесолнечных энергетических явлений, а не о протонах и электронах из обычных внесолнечных источников.

Одним из возможных материалов, упомянутых в журнале Scientific American, являются фекалии. Углеводороды в нем могут безопасно поглощать радиацию.
Однако большая часть населения отвергла бы эту возможность из-за фактора грубости (точно так же, как повторное использование воды путем очистки и дезинфекции мочи).

Ходят слухи, что можно использовать магниты в качестве защиты от космического излучения:

Астронавты, отправляющиеся на Международную космическую станцию, защищены от большей части этого излучения атмосферой Земли, а также ее «магнитосферой», намагниченным пузырем плазмы, окружающим Землю, созданным ее магнитным полем. Однако люди, совершающие более длительные перелеты, не будут иметь этой естественной защиты и, следовательно, подвергаются большему риску.

...

инжекция сверхзвуковой плазмы в вакуумный сосуд длиной 1,5 м, облицованный магнитными катушками, с магнитом-мишенью, расположенным на дальнем конце сосуда. Используя как оптическое изображение, так и электромагнитный зонд, команда Бэмфорда показала, что магнит-мишень отклоняет плазму таким образом, что объем пространства, окружающего магнит, почти полностью свободен от частиц плазмы.

-- физика.ру

Изображение, показывающее, как об этом позаботится магнитное поле Земли:

Аккуратный!

Я знаю, что это не так хорошо, как ответ, чем большинство здесь. Я бы сказал, что вокруг корабля можно надуть дирижабль и наэлектризовать газ для создания электромагнитного экранирования. Этот метод имеет небольшой вес.

https://chemistry.stackexchange.com/questions/94514/can-gas-be-made-to-block-radiation-better