Het is het jaar 2027 en NASA's Vision for Space Exploration vordert precies op schema. Halverwege de reis barst een gigantische zonnevlam uit, waarbij dodelijke straling direct op het ruimtevaartuig wordt gespuwd. Dankzij onderzoek van voormalig astronaut Jeffrey Hoffman en een groep MIT-collega's in 2004, heeft dit voertuig een ultramodern supergeleidend magnetisch afschermingssysteem dat de menselijke inzittenden beschermt tegen dodelijke zonnestraling.
Onlangs is nieuw onderzoek begonnen naar het gebruik van supergeleidende magneettechnologie om astronauten te beschermen tegen straling tijdens langdurige ruimtevluchten, zoals de interplanetaire vluchten naar Mars die worden voorgesteld in NASA's huidige Vision for Space Exploration.
De hoofdonderzoeker voor dit concept is voormalig astronaut Dr. Jeffrey Hoffman, die nu professor is aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT).
Het concept van Hoffman is een van de 12 voorstellen die vorige maand begonnen met het ontvangen van financiering van het NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC). Elk krijgt $ 75.000 voor zes maanden onderzoek om eerste studies te maken en uitdagingen te identificeren bij het ontwikkelen ervan. Projecten die die fase doorkomen, komen in aanmerking voor maar liefst $ 400.000 meer over twee jaar.
Het concept van magnetische afscherming is niet nieuw. Zoals Hoffman zegt: "De aarde doet het al miljarden jaren!"
Het magnetische veld van de aarde buigt kosmische stralen af en een extra mate van bescherming komt van onze atmosfeer die alle kosmische straling absorbeert die zich een weg baant door het magnetische veld. Het gebruik van magnetische afscherming voor ruimtevaartuigen werd voor het eerst voorgesteld eind jaren zestig en begin jaren zeventig, maar werd niet actief nagestreefd toen de plannen voor een langdurige ruimtevlucht teniet werden gedaan.
De technologie voor het maken van supergeleidende magneten die sterke velden kunnen genereren om ruimtevaartuigen tegen kosmische straling te beschermen, is echter pas recentelijk ontwikkeld. Supergeleidende magneetsystemen zijn gewenst omdat ze intense magnetische velden kunnen creëren met weinig of geen elektrisch ingangsvermogen, en met de juiste temperaturen kunnen ze gedurende lange tijd een stabiel magnetisch veld behouden. Een uitdaging is echter het ontwikkelen van een systeem dat een magnetisch veld kan creëren dat groot genoeg is om een ruimtevaartuig van busformaat te beschermen. Een andere uitdaging is om het systeem op een temperatuur van bijna nul te houden (0 Kelvin, -273 C, -460 F), wat de materialen supergeleidende eigenschappen geeft. Recente ontwikkelingen in supergeleidende technologie en materialen hebben supergeleidende eigenschappen opgeleverd bij meer dan 120 K (-153 C, -243 F).
Er zijn twee soorten straling die moeten worden aangepakt voor langdurige bemande ruimtevluchten, zegt William S. Higgins, een technisch fysicus die werkt aan stralingsveiligheid bij Fermilab, de deeltjesversneller bij Chicago, IL. De eerste zijn protonen voor zonnevlammen, die in bursts zouden komen na een zonnevlamgebeurtenis. De tweede zijn galactische kosmische stralen, die, hoewel niet zo dodelijk als zonnevlammen, een continue achtergrondstraling zouden zijn waaraan de bemanning zou worden blootgesteld. In een onbeschermd ruimtevaartuig zouden beide soorten straling de bemanning aanzienlijke gezondheidsproblemen of de dood tot gevolg hebben.
De gemakkelijkste manier om straling te vermijden, is deze te absorberen, zoals het dragen van een loden schort wanneer u een röntgenfoto maakt bij de tandarts. Het probleem is dat dit type afscherming vaak erg zwaar kan zijn en dat massa een kostbare factor is bij onze huidige ruimtevoertuigen, omdat ze vanaf het aardoppervlak moeten worden gelanceerd. Ook, volgens Hoffman, als je maar een klein beetje afscherming gebruikt, kun je het zelfs erger maken, omdat de kosmische straling interageert met de afscherming en secundaire geladen deeltjes kan creëren, waardoor de algehele stralingsdosis toeneemt.
Hoffman voorziet een hybride systeem dat zowel een magnetisch veld als passieve absorptie gebruikt. "Zo doet de aarde het", legde Hoffman uit, "en er is geen reden waarom we dat niet in de ruimte zouden kunnen doen."
Een van de belangrijkste conclusies van de tweede fase van dit onderzoek zal zijn om te bepalen of het gebruik van supergeleidende magneettechnologie massa-effectief is. "Ik twijfel er niet aan dat als we het groot genoeg en sterk genoeg bouwen, het bescherming zal bieden", zei Hoffman. "Maar als de massa van dit geleidende magneetsysteem groter is dan de massa om passieve (absorberende) afscherming te gebruiken, waarom zou je dan al die moeite doen?"
Maar dat is de uitdaging en de reden voor deze studie. 'Dit is onderzoek', zei Hoffman. "Ik ben op de een of andere manier niet partijdig; Ik wil gewoon weten wat de beste manier is. "
Ervan uitgaande dat Hoffman en zijn team kunnen aantonen dat supergeleidende magnetische afscherming massa-effectief is, zou de volgende stap zijn de daadwerkelijke engineering van het creëren van een groot genoeg (zij het lichtgewicht) systeem, naast de fijnafstemming van het onderhouden van magneten bij ultrakoude supergeleiding temperaturen in de ruimte. De laatste stap zou zijn om zo'n systeem te integreren in een Marsgebonden ruimtevaartuig. Geen van deze taken is triviaal.
De onderzoeken naar het behoud van de magnetische veldsterkte en de bijna absolute nultemperaturen van dit systeem in de ruimte vinden al plaats in een experiment dat gepland staat voor lancering in het internationale ruimtestation ISS voor een verblijf van drie jaar. De Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) wordt aan de buitenkant van het station bevestigd en gaat op zoek naar verschillende soorten kosmische straling. Het zal een supergeleidende magneet gebruiken om het momentum van elk deeltje en het teken van zijn lading te meten. Peter Fisher, natuurkundeprofessor, ook van MIT, werkt aan het AMS-experiment en werkt samen met Hoffman aan zijn onderzoek naar supergeleidende magneten. Een afgestudeerde student en een onderzoeker werken ook samen met Hoffman.
NIAC is in 1998 opgericht om revolutionaire concepten te vragen aan mensen en organisaties buiten de ruimtevaartorganisatie die de missies van NASA kunnen bevorderen. De winnende concepten zijn gekozen omdat ze 'de grenzen van bekende wetenschap en technologie verleggen' en 'relevantie tonen voor de NASA-missie', aldus NASA. De ontwikkeling van deze concepten zal naar verwachting minstens tien jaar duren.
Hoffman vloog vijf keer de ruimte in en werd de eerste astronaut die meer dan 1.000 uur op de spaceshuttle legde. Tijdens zijn vierde ruimtevlucht, in 1993, nam Hoffman deel aan de eerste Hubble Space Telescope-servicemissie, een ambitieuze en historische missie die het sferische aberratieprobleem in de primaire spiegel van de telescoop corrigeerde. Hoffman verliet het astronautenprogramma in 1997 om NASA's Europese vertegenwoordiger te worden bij de Amerikaanse ambassade in Parijs en ging vervolgens naar MIT in 2001.
Hoffman weet dat om een ruimtemissie mogelijk te maken, er veel idee-ontwikkeling en harde engineering aan vooraf gaan. "Als het gaat om het doen van dingen in de ruimte, als je een astronaut bent, ga je het met je eigen handen doen", zei Hoffman. 'Maar je vliegt niet voor altijd in de ruimte, en ik wil toch een bijdrage leveren.'
Ziet hij zijn huidige onderzoek net zo belangrijk als het repareren van de Hubble-ruimtetelescoop?
'Nou, niet in de onmiddellijke zin', zei hij. “Maar aan de andere kant, als we ooit een menselijke aanwezigheid in het hele zonnestelsel willen hebben, moeten we kunnen leven en werken in regio's waar de omgeving met geladen deeltjes behoorlijk ernstig is. Als we geen manier kunnen vinden om ons daartegen te beschermen, zal dat een zeer beperkende factor zijn voor de toekomst van menselijke verkenning. "
