永磁体可在无需电力或低温冷却的情况下保护宇航员免受太阳风暴侵袭
精选图片： 猎户座飞船配备防护磁场的概念图。图片来源：NASA
辐射屏蔽是将人类送往火星过程中最大的未解决问题。目前的选项分为两类，各有严重缺陷：被动屏蔽（水、聚乙烯、铝）需要火箭方程所惩罚的巨大质量，而主动超导磁体则需要持续低温冷却和恒定电力供应，为绝不能在太阳风暴期间失效的系统带来了单点故障风险。
一个由意大利和德国研究人员组成的团队发布了第三条路径的初步评估：无需电力、无需冷却、无移动部件的钕永磁体阵列。这项于6月30日发表在《Aerospace》期刊上的研究表明，一个由1,482块钕铁硼（NdFeB）磁体（每块3立方厘米，总重不到300公斤）组成的1平方米阵列，可以偏转约20%的能量范围在0.1至10 MeV之间的入射质子，，这是太阳粒子事件中最危险的部分。
“一种利用钕永磁体通过磁偏转保护太空探测器免受宇宙辐射的磁屏蔽，”正如罗马萨皮恩扎大学的主要作者Valerio Parisi及其同事所描述的，它充当带电粒子的高通滤波器。低能量质子，，那些向生物组织传递最高局部剂量的粒子，，被偏转开。较高能量的粒子，即GeV范围内的银河宇宙射线，则基本不受影响地穿透过去。
这一限制使得该系统不适合作为针对银河宇宙射线（GCR）的主要屏蔽，因为GCR是连续、全方位的，并且携带的能量需要不切实际的强磁场才能偏转。但对于太阳粒子事件，，它们是定向的、偶发性的，并带有急性辐射病的风险，，永磁体屏幕提供了一种轻量级的保险策略。
混合方法
研究人员明确将永磁体阵列定位为多层辐射缓解策略中的补充系统。被动屏蔽处理全方位的背景辐射。永磁体以相当于被动屏蔽质量成本的一小部分来处理偶尔的太阳质子爆发。主动超导磁体如果达到足够的技术成熟度，最终可以提供全谱保护。
质量节省是其卖点。同等太阳质子防护水平的被动屏蔽可能需要数吨聚乙烯或水，，这一质量惩罚会通过火箭方程的每一级传播。不到300公斤的永磁体阵列发射成本低廉，且无需任何运营开销。
“即使有一定屏蔽也总比没有好，永磁体很可能在结合了所有三种辐射缓解技术的混合系统中占有一席之地，”作者指出。
需要解决的局限性
这项研究是初步评估，作者对其局限性坦诚相告。原型测试了单向准直质子束，模拟了太阳粒子事件，但并未模拟实际深空的多方向、混合谱环境。银河宇宙射线，，它们在火星任务中贡献了大部分长期癌症风险，，并未通过这种方法得到解决。
次级辐射的问题也尚未解决。撞击磁体材料本身的质子可能产生次级中子和伽马射线，可能增加航天器内部某些位置的局部辐射剂量。可以说，对屏蔽体本身的屏蔽可能会蚕食质量节省。
此外还有退磁问题。暴露于太空辐射的NdFeB磁体会随时间退化。研究表明，某些等级的磁体在约400万拉德的质子照射下会失去一半磁力，并在约7000万拉德时完全退磁。钐钴（SmCo）磁体的抗辐射性能高出2至40倍，但价格更高且产生的磁场略弱。团队指出应在后续工作中评估替代磁体化学成分。
未来之路
下一步涉及在逼真的多方向辐射环境中进行高级蒙特卡洛模拟，代表真实的太阳粒子事件谱和银河宇宙射线谱。除此之外，团队还设想进行立方星规模的验证实验，以相对较低的成本在轨道上测试这一概念。
该论文为深空任务中磁屏蔽的更广泛兴趣复兴增添了新的动力。NASA的MAARSS（磁体架构与主动辐射屏蔽研究）项目一直在研究在1特斯拉场强下配备可展开的16米直径线圈的大型超导线圈设计。这些概念针对全谱保护，但需要冷却至约70开尔文，并带有永磁体阵列所避免的单点故障风险。
要使永磁体解决方案对火星任务可行，研究必须从分析建模和实验室原型转向在相关辐射环境中的实际验证。团队提出的立方星任务是合乎逻辑的下一步。如果成功，永磁体可能成为混合辐射防御系统的一层，，安静、被动、始终开启，除了在太阳风暴来袭时在场之外，对乘员没有任何要求。