Hvordan NASA forbereder rumfartøjer til den hårde stråling fra rummet

I en lille, firkantet rum omgivet af fire fod beton, luften lugter, som om et tordenvejr lige passerede igennem - sprød og skarp, som rengøringsmidler. Uden for, det er lugten af ​​lyn, der river ilt fra hinanden i luften, som let omdannes til ozon. Men under jorden i et af værelserne på NASA's Radiation Effects Facility, lugten af ​​ozon bliver hængende efter højenergistrålingstests. Den stråling, som ingeniører bruger til at teste elektronik til rumflyvning, er så kraftig, at den knuser ilten i rummet.

Hver del af hvert NASA-instrument, der er bestemt til rumflyvning, gennemgår strålingstest for at sikre, at det kan overleve i rummet. Det er ikke let at være et rumfartøj; usynlig, energiske partikler glider gennem rummet - og selvom der er så få, at rummet betragtes som et vakuum, hvad der er der pakker en punch. Små partikler kan skabe kaos med den elektronik, vi sender op i rummet.

Mens NASA udforsker solsystemet, strålingstest bliver stadig mere afgørende. Strålingseffektfaciliteten, placeret på NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, hjælper med at inspicere den hardware, der muliggør NASAs udforskning af Månen, Solen og vores solsystem – fra missioner, der søger at forstå universets begyndelse, til Artemis-programmets rejse til Månen meget tættere på hjemmet.

"Vi vil være i stand til at sikre, at mennesker, elektronik, rumfartøjer og instrumenter – alt hvad vi faktisk sender ud i rummet – vil overleve i det miljø, vi sætter det i, " sagde Megan Casey, en rumfartsingeniør i Radiation Effects and Analysis Group hos Goddard.

De nøjagtige forhold et rumfartøj møder afhænger af, hvor det er på vej hen, så ingeniører omhyggeligt tester og udvælger dele, der passer til hvert rumfartøjs destination. Jordens magnetfelt, for eksempel, fanger sværme af partikler i to doughnut-formede bånd kaldet strålingsbælterne. Andre planeter har også strålingsbælter, ligesom Jupiter, hvis bælter er 10, 000 gange stærkere end Jordens. Generelt, jo tættere på solen, jo hårdere vask af solpartikler kendt som solvinden. Og galaktiske kosmiske stråler – partikelfragmenter fra eksploderede stjerner langt uden for solsystemet – kan stødes på overalt.

Timing er også en faktor. Solen gennemgår naturlige 11-årige cyklusser, skiftende fra perioder med høj til lav aktivitet. I den relative ro af solminimum, kosmiske stråler infiltrerer let solens magnetfelt, strømmer ind i solsystemet. På den anden side, under sol maksimum, hyppige soludbrud oversvømmer rum med højenergipartikler.

"Baseret på hvor de skal hen, vi fortæller missionsdesignere, hvordan deres rummiljø vil være, og de kommer tilbage til os med deres instrumentplaner og spørger, "Skal disse dele overleve der?"" sagde Casey. "Svaret er altid ja, ingen, eller jeg ved det ikke. Hvis vi ikke ved, det er, når vi laver yderligere test. Det er langt størstedelen af ​​vores job."

Goddards strålingscenter – sammen med partnerfaciliteter i hele landet – er udstyret til at efterligne spektret af rumstråling, fra solvindens konstante irritation til de flammende strålingsbælter og brutale slag af soludbrud og kosmiske stråler.

Effekterne af rumstråling

Ingeniører bruger computermodeller til at bestemme, hvordan et rumfartøjs destination vil være - hvor meget stråling det vil støde på der - og hvilke slags test de har brug for for at spejle det miljø i laboratoriet.

Stråling er energi i form af bølger eller små, subatomære partikler. For rumfartøjer, den største bekymring er partikelstråling. Denne stråling, som omfatter protoner og elektroner, kan påvirke deres elektronik på to måder.

Den første slags, kendt som enkelthændelseseffekter, er umiddelbare trusler - hurtige energiudbrud, når en solpartikel eller kosmisk stråle trænger gennem et kredsløb. "Stærkt energiske partikler dumper energi i din elektronik, " sagde Clive Dyer, en elektroingeniør ved University of Surrey's Space Center i England. "Enkeltbegivenhedseffekter vil ødelægge dine computere, kryptere dine data – i binær kode – fra 1'er til 0'er."

Mange rumfartøjer er udstyret til at komme sig efter disse træfninger med partikler. Men nogle strejker kan forstyrre de programmer, rumfartøjer kører på, påvirker kommunikations- eller navigationssystemer og forårsager computernedbrud. I værste fald resultatet kan blive katastrofalt. For år siden, astronauternes bærbare computere på rumfærgen styrtede ned, mens de passerede gennem særligt behårede dele af strålingsbælterne, og NASAs Hubble-rumteleskop slukker forebyggende sine videnskabelige instrumenter, når det passerer gennem regionen.

Og så, der er effekter, der forværres med tiden. Ladede partikler kan samle sig på et rumskibs overflade og opbygge en ladning inden for få timer. På samme måde som at gå hen over et tæppebelagt rum og dreje på en metaldørknop, opladning udløser statisk elektricitet, der kan beskadige elektronik, sensorer og solpaneler. I april 2010 opladning deaktiverede Galaxy 15 satellittens kommunikationssystemer, sende den på drift i otte måneder.

Rumfartøjer skal klare stråling gennem hele deres liv. Langtidsstråling - kendt som total dosis - slider materialet ned, gradvist at reducere instrumentets ydeevne, jo længere de er i kredsløb. Selv relativt mild stråling kan forringe solpaneler og kredsløb.

Gemt i et tilstødende rum i sikker afstand fra strålingen, ingeniører på testfaciliteten piller instrumentkomponenter med en blanding af energiske partikler, leder efter tegn på svaghed.

Generelt, virkningerne af deres tests er ikke synlige. Et spring i temperatur eller elektrisk strøm kan indikere, at en enkelt partikel ramte et kredsløb. På den anden side, under totaldosistest, ingeniørerne holder øje med langsom, yndefuld nedbrydning, en bivirkning af rumrejser kan de fleste missioner leve med, hvis de har tid nok til at fuldføre deres videnskabelige mål.

"Det værste tilfælde er en destruktiv effekt af enkeltbegivenheder, når du ser en katastrofal fejl, fordi et instrument er kortsluttet, " sagde Casey. "Det er dårlige nyheder for missionen, men det er det sjoveste for os at teste. Nogle gange er der så meget energi, du ser faktisk noget ske - lys eller et brændemærke i nogle tilfælde."

At klare strålingsstormen

Så, hvordan beskytter ingeniører rumfartøjer mod de konstante farer ved rumstråling? En taktik er at bygge dele, der er hærdet mod stråling fra selve deres fundamenter. Ingeniører kan vælge visse materialer, der er mindre modtagelige for partikelangreb eller opladning.

Rumfartøjsdesignere er afhængige af afskærmning for at forsvare deres instrumenter mod langsigtede effekter. Lagdelt aluminium eller titanium bremser energiske partikler, forhindrer dem i at nå følsom elektronik. "Lige nu, vi antager, at alle missioner vil have en afskærmningstykkelse - hvor tykke rumfartøjets eller instrumentets vægge er - på omkring en tiendedel tomme, " sagde Casey.

Efter deres prøver, ingeniører giver specifikke anbefalinger til afskærmning, hvis miljøet kræver det. Afskærmning tilføjer bulk og vægt, hvilket øger brændstofbehovet eller -omkostningerne, så ingeniører foretrækker altid at bruge mindst muligt. "Hvis vi kan forbedre vores modeller og strammere forfine, hvordan strålingsmiljøet ser ud, vi kan måske tynde de vægge ud, " hun sagde.

Indsamling af observationer fra en bred vifte af rummiljøer er et vigtigt skridt i at forbedre modeller. "At raffinere vores modeller af rumstråling hjælper os i sidste ende med at vælge bedre enheder, " sagde Michael Xapsos, medlem af Project Scientist Team for NASA's Space Environment Testbeds-mission, som er dedikeret til at studere virkningerne af stråling på hardware. "Med flere data, ingeniører kan foretage bedre handler mellem risiko, koste, og ydeevne i de elektroniske enheder, de vælger."

De mest energiske partikler er umulige at undgå, selv med kraftig afskærmning. Efter at have testet for enkelthændelseseffekter, ingeniørerne beregner en forudsigelse for, hvor ofte et sådant slag kan forekomme. Det kunne være, for eksempel, at et rumfartøj har en chance for et partikelangreb hver 1. 000 dage. Disse er isolerede hændelser, der er lige så sandsynlige, at der opstår på en satellits første dag i rummet som på dens 1. 000. dag – og det er op til missionsdesignere at beslutte, hvor meget risiko de kan bære.

En fælles strategi mod enkelthændelseseffekter er at udstyre et instrument med multipler af den samme del, der arbejder sammen samtidigt. Hvis en computerchip midlertidigt deaktiveres af et partikelslag, dets modstykker kan tage fat.

Ingeniører kan planlægge og udvikle sådanne afbødningsstrategier – men det gøres bedst, når de virkelig forstår det rummiljø, en satellit rejser igennem. Missioner som Space Environment Testbeds, eller SET – planlagt til lancering i slutningen af ​​juni – og modelleringsindsatsen på Radiation Effects Facility sikrer, at de får den information.