Eine Grafik einer supraleitenden Magnetblase, die Raumschiffe schützen könnte. Kredit: MIT.
Wir schreiben das Jahr 2027 und die Vision der NASA für die Weltraumforschung schreitet planmäßig voran. Die erste interplanetare Raumsonde mit Menschen an Bord ist auf Kurs zum Mars. Auf halber Strecke bricht jedoch eine gigantische Sonneneruption aus, die tödliche Strahlung direkt auf die Raumsonde aussendet. Aber keine Sorge. Aufgrund von Forschungen des ehemaligen Astronauten Jeffrey Hoffman und einer Gruppe von MIT-Kollegen im Jahr 2004 verfügt dieses Fahrzeug über ein hochmodernes supraleitendes magnetisches Abschirmsystem, das die menschlichen Insassen vor tödlichen Sonnenemissionen schützt.
Neue Forschungen haben vor kurzem damit begonnen, den Einsatz supraleitender Magnettechnologie zum Schutz von Astronauten vor Strahlung bei Langzeitflügen wie den interplanetaren Flügen zum Mars zu untersuchen, die in der aktuellen Vision for Space Exploration der NASA vorgeschlagen werden.
Der Hauptforscher dieses Konzepts ist der ehemalige Astronaut Dr. Jeffrey Hoffman, der heute Professor am Massachusetts Institute of Technology (MIT) ist.
Hoffmans Konzept ist einer von 12 Vorschlägen, die letzten Monat vom NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC) gefördert wurden. Jeder erhält 75.000 US-Dollar für sechs Monate Forschung, um erste Studien durchzuführen und Herausforderungen bei der Entwicklung zu identifizieren. Projekte, die diese Phase überstehen, können über einen Zeitraum von zwei Jahren bis zu 400.000 US-Dollar zusätzlich erhalten.
Das Konzept der magnetischen Abschirmung ist nicht neu. Wie Hoffman sagt: „Die Erde macht das seit Milliarden von Jahren!“
Das Magnetfeld der Erde lenkt die kosmische Strahlung ab, und ein zusätzlicher Schutz kommt von unserer Atmosphäre, die jegliche kosmische Strahlung absorbiert, die durch das Magnetfeld gelangt. Die Verwendung magnetischer Abschirmung für Raumfahrzeuge wurde erstmals in den späten 1960er und frühen 70er Jahren vorgeschlagen, aber nicht aktiv verfolgt, als Pläne für eine langfristige Raumfahrt auf der Strecke blieben.
Die Technologie zur Herstellung supraleitender Magnete, die starke Felder erzeugen können, um Raumfahrzeuge vor kosmischer Strahlung abzuschirmen, wurde jedoch erst vor kurzem entwickelt. Supraleitende Magnetsysteme sind wünschenswert, da sie mit geringer oder keiner elektrischen Energiezufuhr intensive Magnetfelder erzeugen können und bei geeigneten Temperaturen ein stabiles Magnetfeld über lange Zeiträume aufrechterhalten können. Eine Herausforderung besteht jedoch darin, ein System zu entwickeln, das ein Magnetfeld erzeugen kann, das groß genug ist, um ein bewohnbares Raumfahrzeug in Busgröße zu schützen. Eine weitere Herausforderung besteht darin, das System bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (0 Kelvin, -273 C, -460 F) zu halten, was den Materialien supraleitende Eigenschaften verleiht. Jüngste Fortschritte in der Supraleitungstechnologie und -materialien haben supraleitende Eigenschaften bei mehr als 120 K (-153 C, -243 F) bereitgestellt.
Es gibt zwei Arten von Strahlung, die für eine langfristige bemannte Raumfahrt angegangen werden müssen, sagt William S. Higgins, ein Ingenieurphysiker, der am Fermilab, dem Teilchenbeschleuniger in der Nähe von Chicago, IL, an Strahlungssicherheit arbeitet. Die erste sind Sonneneruptions-Protonen, die nach einem Sonneneruptionsereignis in Explosionen auftreten würden. Die zweite ist die galaktische kosmische Strahlung, die zwar nicht so tödlich ist wie Sonneneruptionen, aber eine kontinuierliche Hintergrundstrahlung wäre, der die Besatzung ausgesetzt wäre. In einem ungeschirmten Raumfahrzeug würden beide Strahlungsarten zu erheblichen Gesundheitsproblemen oder zum Tod der Besatzung führen.
Der einfachste Weg, Strahlung zu vermeiden, besteht darin, sie zu absorbieren, wie das Tragen einer Bleischürze beim Röntgen beim Zahnarzt. Das Problem ist, dass diese Art der Abschirmung oft sehr schwer sein kann und die Masse bei unseren aktuellen Raumfahrzeugen sehr wichtig ist, da sie von der Erdoberfläche aus gestartet werden müssen. Laut Hoffman kann man es sogar noch verschlimmern, wenn man nur ein wenig Abschirmung verwendet, da die kosmische Strahlung mit der Abschirmung interagiert und sekundäre geladene Teilchen erzeugen kann, die die Gesamtstrahlungsdosis erhöhen.
Hoffman sieht die Verwendung eines Hybridsystems vor, das sowohl ein Magnetfeld als auch passive Absorption verwendet. 'So macht es die Erde', erklärte Hoffman, 'und es gibt keinen Grund, warum wir das im Weltraum nicht tun sollten.'
Eine der wichtigsten Schlussfolgerungen der zweiten Phase dieser Forschung wird sein, festzustellen, ob die Verwendung der supraleitenden Magnettechnologie massenwirksam ist. „Ich habe keinen Zweifel, dass es Schutz bietet, wenn wir es groß genug und stark genug bauen“, sagte Hoffman. „Aber wenn die Masse dieses leitenden Magnetsystems größer ist als die Masse, nur um eine passive (absorbierende) Abschirmung zu verwenden, warum sich dann all diese Mühe machen?“
Aber das ist die Herausforderung und der Grund für diese Studie. 'Das ist Forschung', sagte Hoffman. „Ich bin nicht so oder so parteiisch; Ich möchte nur herausfinden, was der beste Weg ist.“
Unter der Annahme, dass Hoffman und sein Team zeigen können, dass supraleitende magnetische Abschirmung massenwirksam ist, wäre der nächste Schritt die eigentliche Konstruktion, um ein ausreichend großes (wenn auch leichtes) System zu schaffen, zusätzlich zur Feinabstimmung der Magnete bei ultrakalter Supraleitung Temperaturen im Weltraum. Der letzte Schritt wäre die Integration eines solchen Systems in eine marsgebundene Raumsonde. Keine dieser Aufgaben ist trivial.
Die Untersuchungen zur Aufrechterhaltung der magnetischen Feldstärke und der nahezu absoluten Nulltemperaturen dieses Systems im Weltraum finden bereits in einem Experiment statt, das für einen dreijährigen Aufenthalt zur Internationalen Raumstation ISS gebracht werden soll. Das Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) wird außen an der Station angebracht und sucht nach verschiedenen Arten von kosmischer Strahlung. Es wird einen supraleitenden Magneten verwenden, um den Impuls jedes Teilchens und das Vorzeichen seiner Ladung zu messen. Peter Fisher, ebenfalls Physikprofessor am MIT, arbeitet am AMS-Experiment und kooperiert mit Hoffman bei seiner Erforschung supraleitender Magnete. Auch ein Doktorand und ein Forscher arbeiten mit Hoffman zusammen.
NIAC wurde 1998 gegründet, um revolutionäre Konzepte von Personen und Organisationen außerhalb der Weltraumbehörde zu erbitten, die die Missionen der NASA voranbringen könnten. Die Gewinnerkonzepte werden ausgewählt, weil sie „die Grenzen der bekannten Wissenschaft und Technologie verschieben“ und „Relevanz für die NASA-Mission zeigen“, so die NASA. Die Entwicklung dieser Konzepte wird voraussichtlich mindestens ein Jahrzehnt in Anspruch nehmen.
Hoffman flog fünfmal ins All und war der erste Astronaut, der mehr als 1.000 Stunden im Space Shuttle protokollierte. Auf seinem vierten Weltraumflug im Jahr 1993 nahm Hoffman an der ersten Wartungsmission des Hubble-Weltraumteleskops teil, einer ehrgeizigen und historischen Mission, die das Problem der sphärischen Aberration im Hauptspiegel des Teleskops korrigierte. Hoffman verließ das Astronautenprogramm 1997, um europäischer Repräsentant der NASA in der US-Botschaft in Paris zu werden, und ging dann 2001 zum MIT.
Hoffman weiß, dass, um eine Weltraummission zu ermöglichen, eine Menge Ideenentwicklung und hartes Engineering vorausgehen. „Wenn es darum geht, Dinge im Weltraum zu tun, dann geht man als Astronaut und macht es mit eigenen Händen“, sagte Hoffman. „Aber man fliegt nicht ewig im All, und ich möchte trotzdem einen Beitrag leisten.“
Sieht er seine aktuelle Forschung genauso wichtig wie die Reparatur des Hubble-Weltraumteleskops?
„Nun, nicht im unmittelbaren Sinne“, sagte er. „Aber wenn wir auf der anderen Seite jemals eine menschliche Präsenz im gesamten Sonnensystem haben wollen, müssen wir in der Lage sein, in Regionen zu leben und zu arbeiten, in denen die Umgebung geladener Teilchen ziemlich streng ist. Wenn wir keinen Weg finden, uns davor zu schützen, wird dies ein sehr einschränkender Faktor für die Zukunft der menschlichen Erforschung.“
