Ένα γραφικό μιας υπεραγώγιμης μαγνητικής φυσαλίδας που θα μπορούσε να προστατεύσει το διαστημόπλοιο. Πίστωση: MIT.
Είναι το έτος 2027 και το Vision for Space Exploration της NASA προχωρά σύμφωνα με το χρονοδιάγραμμα. Το πρώτο διαπλανητικό διαστημικό σκάφος με ανθρώπους επιβιβάζεται στον Άρη. Ωστόσο, στα μισά του ταξιδιού, μια γιγάντια ηλιακή έκλαμψη εκρήγνυται, εκτοξεύοντας θανατηφόρα ακτινοβολία απευθείας στο διαστημόπλοιο. Αλλά, για να μην ανησυχείτε. Λόγω της έρευνας που έγινε από τον πρώην αστροναύτη Jeffrey Hoffman και μια ομάδα συναδέλφων του MIT το 2004, αυτό το όχημα διαθέτει ένα υπεραγώγιμο σύστημα μαγνητικής θωράκισης τελευταίας τεχνολογίας που προστατεύει τους επιβάτες από τυχόν θανατηφόρες ηλιακές εκπομπές.
Νέα έρευνα άρχισε πρόσφατα να εξετάζει τη χρήση τεχνολογίας υπεραγώγιμων μαγνητών για την προστασία των αστροναυτών από την ακτινοβολία κατά τη διάρκεια διαστημικών πτήσεων μεγάλης διάρκειας, όπως οι διαπλανητικές πτήσεις προς τον Άρη που προτείνονται στο τρέχον Vision for Space Exploration της NASA.
Ο κύριος ερευνητής αυτής της ιδέας είναι ο πρώην αστροναύτης Δρ. Τζέφρι Χόφμαν, ο οποίος είναι τώρα καθηγητής στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης (MIT).
Η ιδέα του Hoffman είναι μία από τις 12 προτάσεις που άρχισαν να λαμβάνουν χρηματοδότηση τον περασμένο μήνα από το Ινστιτούτο Προηγμένων Εννοιών της NASA (NIAC). Ο καθένας λαμβάνει 75.000 $ για έξι μήνες έρευνας για να κάνει αρχικές μελέτες και να εντοπίσει τις προκλήσεις στην ανάπτυξή του. Τα έργα που περνούν αυτή τη φάση είναι επιλέξιμα για έως και 400.000 $ επιπλέον για δύο χρόνια.
Η έννοια της μαγνητικής θωράκισης δεν είναι νέα. Όπως λέει ο Χόφμαν, «Η Γη το κάνει εδώ και δισεκατομμύρια χρόνια!»
Το μαγνητικό πεδίο της Γης εκτρέπει τις κοσμικές ακτίνες και ένα πρόσθετο μέτρο προστασίας προέρχεται από την ατμόσφαιρά μας, η οποία απορροφά κάθε κοσμική ακτινοβολία που διασχίζει το μαγνητικό πεδίο. Η χρήση μαγνητικής θωράκισης για διαστημόπλοια προτάθηκε για πρώτη φορά στα τέλη της δεκαετίας του 1960 και στις αρχές της δεκαετίας του 70, αλλά δεν επιδιώχθηκε ενεργά όταν τα σχέδια για διαστημικές πτήσεις μεγάλης διάρκειας έπεσαν στο περιθώριο.
Ωστόσο, η τεχνολογία για τη δημιουργία υπεραγώγιμων μαγνητών που μπορούν να δημιουργήσουν ισχυρά πεδία για την προστασία των διαστημικών σκαφών από την κοσμική ακτινοβολία αναπτύχθηκε μόλις πρόσφατα. Τα συστήματα υπεραγώγιμων μαγνητών είναι επιθυμητά επειδή μπορούν να δημιουργήσουν έντονα μαγνητικά πεδία με μικρή ή καθόλου είσοδο ηλεκτρικής ισχύος και με κατάλληλες θερμοκρασίες μπορούν να διατηρήσουν ένα σταθερό μαγνητικό πεδίο για μεγάλες χρονικές περιόδους. Μια πρόκληση, ωστόσο, είναι η ανάπτυξη ενός συστήματος που μπορεί να δημιουργήσει ένα μαγνητικό πεδίο αρκετά μεγάλο ώστε να προστατεύει ένα κατοικήσιμο διαστημόπλοιο μεγέθους λεωφορείου. Μια άλλη πρόκληση είναι η διατήρηση του συστήματος σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν (0 Kelvin, -273 C, -460 F), γεγονός που δίνει στα υλικά υπεραγώγιμες ιδιότητες. Οι πρόσφατες εξελίξεις στην τεχνολογία και τα υλικά υπεραγώγιμων έχουν παράσχει υπεραγώγιμες ιδιότητες σε θερμοκρασία υψηλότερη από 120 K (-153 C, -243 F).
Υπάρχουν δύο τύποι ακτινοβολίας που πρέπει να αντιμετωπιστούν για μακράς διάρκειας ανθρώπινη διαστημική πτήση, λέει ο William S. Higgins, ένας μηχανικός φυσικός που εργάζεται για την ασφάλεια της ακτινοβολίας στο Fermilab, τον επιταχυντή σωματιδίων κοντά στο Σικάγο, IL. Τα πρώτα είναι πρωτόνια ηλιακής έκλαμψης, τα οποία θα έρχονταν σε εκρήξεις μετά από ένα συμβάν ηλιακής έκλαμψης. Το δεύτερο είναι οι γαλαξιακές κοσμικές ακτίνες, οι οποίες, αν και δεν είναι τόσο θανατηφόρες όσο οι ηλιακές εκλάμψεις, θα ήταν μια συνεχής ακτινοβολία υποβάθρου στην οποία θα εκτεθεί το πλήρωμα. Σε ένα μη θωρακισμένο διαστημόπλοιο, και οι δύο τύποι ακτινοβολίας θα οδηγούσαν σε σημαντικά προβλήματα υγείας ή θάνατο στο πλήρωμα.
Ο ευκολότερος τρόπος για να αποφύγετε την ακτινοβολία είναι να την απορροφήσετε, όπως να φοράτε μολύβδινη ποδιά όταν κάνετε ακτινογραφία στον οδοντίατρο. Το πρόβλημα είναι ότι αυτός ο τύπος θωράκισης μπορεί συχνά να είναι πολύ βαρύς και η μάζα είναι υψηλότερη με τα σημερινά διαστημικά μας οχήματα, καθώς πρέπει να εκτοξευθούν από την επιφάνεια της Γης. Επίσης, σύμφωνα με τον Χόφμαν, εάν χρησιμοποιείτε μόνο λίγη θωράκιση, μπορείτε πραγματικά να το κάνετε χειρότερο, επειδή οι κοσμικές ακτίνες αλληλεπιδρούν με τη θωράκιση και μπορούν να δημιουργήσουν δευτερεύοντα φορτισμένα σωματίδια, αυξάνοντας τη συνολική δόση ακτινοβολίας.
Ο Χόφμαν προβλέπει τη χρήση ενός υβριδικού συστήματος που χρησιμοποιεί μαγνητικό πεδίο και παθητική απορρόφηση. «Αυτός είναι ο τρόπος που το κάνει η Γη», εξήγησε ο Χόφμαν, «και δεν υπάρχει λόγος να μην μπορούμε να το κάνουμε αυτό στο διάστημα».
Ένα από τα πιο σημαντικά συμπεράσματα στη δεύτερη φάση αυτής της έρευνας θα είναι να καθοριστεί εάν η χρήση τεχνολογίας υπεραγώγιμων μαγνητών είναι αποτελεσματική στη μάζα. «Δεν έχω καμία αμφιβολία ότι αν το χτίσουμε αρκετά μεγάλο και αρκετά δυνατό, θα παρέχει προστασία», είπε ο Χόφμαν. «Αλλά αν η μάζα αυτού του συστήματος αγώγιμου μαγνήτη είναι μεγαλύτερη από τη μάζα μόνο και μόνο για τη χρήση παθητικής (απορροφητικής) θωράκισης, τότε γιατί να μπούμε σε όλο αυτό το πρόβλημα;»
Αλλά αυτή είναι η πρόκληση και ο λόγος αυτής της μελέτης. «Αυτή είναι έρευνα», είπε ο Χόφμαν. «Δεν είμαι κομματικός με τον ένα ή τον άλλο τρόπο. Θέλω απλώς να μάθω ποιος είναι ο καλύτερος τρόπος».
Υποθέτοντας ότι ο Χόφμαν και η ομάδα του μπορούν να αποδείξουν ότι η υπεραγώγιμη μαγνητική θωράκιση είναι αποτελεσματική στη μάζα, το επόμενο βήμα θα ήταν να γίνει η πραγματική μηχανική δημιουργίας ενός αρκετά μεγάλου (αν και ελαφρύ) συστήματος, επιπλέον της λεπτής ρύθμισης της διατήρησης των μαγνητών σε εξαιρετικά κρύα υπεραγώγιμα θερμοκρασίες στο διάστημα. Το τελευταίο βήμα θα ήταν η ενσωμάτωση ενός τέτοιου συστήματος σε ένα διαστημόπλοιο με προορισμό τον Άρη. Κανένα από αυτά τα καθήκοντα δεν είναι ασήμαντο.
Οι εξετάσεις διατήρησης της έντασης του μαγνητικού πεδίου και των σχεδόν απόλυτων μηδενικών θερμοκρασιών αυτού του συστήματος στο διάστημα πραγματοποιούνται ήδη σε ένα πείραμα που έχει προγραμματιστεί να εκτοξευθεί στον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό για μια τριετή παραμονή. Το Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) θα συνδεθεί στο εξωτερικό του σταθμού και θα αναζητήσει διαφορετικούς τύπους κοσμικών ακτίνων. Θα χρησιμοποιήσει έναν υπεραγώγιμο μαγνήτη για να μετρήσει την ορμή κάθε σωματιδίου και το πρόσημο του φορτίου του. Ο Peter Fisher, καθηγητής φυσικής επίσης από το MIT εργάζεται στο πείραμα AMS και συνεργάζεται με τον Hoffman στην έρευνά του για υπεραγώγιμους μαγνήτες. Ένας μεταπτυχιακός φοιτητής και ένας ερευνητής επιστήμονας συνεργάζονται επίσης με τον Χόφμαν.
Το NIAC δημιουργήθηκε το 1998 για να ζητήσει επαναστατικές ιδέες από ανθρώπους και οργανισμούς εκτός της διαστημικής υπηρεσίας που θα μπορούσαν να προωθήσουν τις αποστολές της NASA. Οι νικητήριες έννοιες επιλέγονται επειδή «σπάνε τα όρια της γνωστής επιστήμης και τεχνολογίας» και «δείχνουν συνάφεια με την αποστολή της NASA», σύμφωνα με τη NASA. Αυτές οι έννοιες αναμένεται να χρειαστούν τουλάχιστον μια δεκαετία για να αναπτυχθούν.
Ο Χόφμαν πέταξε στο διάστημα πέντε φορές και έγινε ο πρώτος αστροναύτης που έκανε περισσότερες από 1.000 ώρες στο διαστημικό λεωφορείο. Στην τέταρτη διαστημική πτήση του, το 1993, ο Χόφμαν συμμετείχε στην πρώτη αποστολή εξυπηρέτησης του διαστημικού τηλεσκοπίου Hubble, μια φιλόδοξη και ιστορική αποστολή που διόρθωσε το πρόβλημα της σφαιρικής εκτροπής στον πρωτεύοντα καθρέφτη του τηλεσκοπίου. Ο Χόφμαν άφησε το πρόγραμμα αστροναυτών το 1997 για να γίνει εκπρόσωπος της NASA στην Ευρώπη στην Πρεσβεία των ΗΠΑ στο Παρίσι και στη συνέχεια πήγε στο MIT το 2001.
Ο Χόφμαν γνωρίζει ότι για να καταστεί δυνατή μια διαστημική αποστολή, υπάρχει πολλή ανάπτυξη ιδεών και σκληρή μηχανική που προηγείται. «Όταν πρόκειται να κάνεις πράγματα στο διάστημα, αν είσαι αστροναύτης, πηγαίνεις και το κάνεις με τα χέρια σου», είπε ο Χόφμαν. «Αλλά δεν πετάτε για πάντα στο διάστημα και θα ήθελα ακόμα να κάνω μια συνεισφορά».
Θεωρεί την τρέχουσα έρευνά του τόσο σημαντική όσο η επισκευή του διαστημικού τηλεσκοπίου Hubble;
«Λοιπόν, όχι με την άμεση έννοια», είπε. «Αλλά από την άλλη πλευρά, εάν πρόκειται να έχουμε ποτέ ανθρώπινη παρουσία σε όλο το ηλιακό σύστημα, πρέπει να είμαστε σε θέση να ζούμε και να εργαζόμαστε σε περιοχές όπου το περιβάλλον των φορτισμένων σωματιδίων είναι αρκετά σοβαρό. Εάν δεν μπορούμε να βρούμε τρόπο να προστατευτούμε από αυτό, θα είναι ένας πολύ περιοριστικός παράγοντας για το μέλλον της ανθρώπινης εξερεύνησης».
