Welche Dicke/Tiefe des Wassers wäre erforderlich, um eine Strahlenabschirmung in der Erdumlaufbahn bereitzustellen?

Wenn Sie Wasser oder Eis als Strahlenschutz verwenden, wie dick/tief müsste es sein? Würde es einen Unterschied machen, wenn das Wasser gefroren wäre (Wassereis ist weniger dicht als flüssig)?

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Ich würde gerne wissen, wie viel Abschirmung für einen unbefristeten Aufenthalt erforderlich wäre. Vorzugsweise bei terrestrischen Grenzwerten gemäß Code of Federal Regulations (29 CFR 1910.96), aber mindestens bei Werten gemäß National Council on Radiation Protection and Measurements (NCRP), die in seinem Bericht 98 vorgestellt werden. Ein Ausgangspunkt für die Forschung ist das Spaceflight Radiation Health Program bei JSC A Auflistung aller Strahlungsarten NASA "Was ist Weltraumstrahlung?"

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Wir wissen aus der Kernkraftindustrie, dass Lagerbecken für abgebrannte Brennelemente strahlungstechnisch ziemlich sichere Orte sind. Bis zu einem gewissen Punkt kann man tatsächlich sicher darin schwimmen, weil sie routinemäßig von menschlichen Tauchern gewartet werden. Sie können dem abgebrannten Brennstoff einfach nicht zu nahe kommen.

Wir nutzen diese Becken zur kurzfristigen Lagerung, denn Wasser ist ein wirklich guter Strahlenschutz. Wie gut? Nun, laut einem Bericht zu diesem Thema, der 1977 für das DoE erstellt wurde, reduziert eine 7 cm dicke Wasserschicht die durch sie hindurchgelassene ionisierende Strahlung (Strahlen und Partikel) um die Hälfte (der Rest wird eingefangen oder zu nichtionisierender Energie gemildert). Ebenen, hauptsächlich Hitze). Frisch entladener Kernbrennstoff gibt etwa 100.000 R/Stunde ab, gemessen aus einem Fuß Abstand in der Luft (bei dieser Rate beträgt der sichere Tod etwa 5 Minuten Exposition und Sie würden in etwa 10 Minuten ins Koma fallen). Die Werte der ionisierenden Hintergrundstrahlung auf der Erdoberfläche betragen etwa 0,000001 R/Stunde (1 mSv/h), während eine „sichere Dosis“, mit der man langfristig leben kann, etwa 0,0004 R/Stunde beträgt. Eine Halbierung entspricht etwa 0,3 einer Zehnerpotenz, also grob gesagt, um einen frischen Brennstab zu reduzieren. Um die Radioaktivität auf ein sicheres Niveau zu bringen, bräuchten Sie etwa 2 Meter (8/0,3 * 7/100), und über mehr als 2,5 m ist die Radioaktivität der Brennstäbe nicht von der Hintergrundstrahlung zu unterscheiden. Tatsächlich würde Sie laut dem Link aus dem Kommentar beim Tauchen in etwa 6 Fuß Tiefe weniger Strahlung ausgesetzt sein als an der Oberfläche des Pools.

Laut Wikipedia beträgt die obere Schätzung für eine Äquivalentdosis, die von nicht abgeschirmten Astronauten empfangen wird, die außerhalb des Erdmagnetfelds operieren (z. B. bei einer Mission zum Mars), etwa 90.000 R / Jahr oder etwa 10 R / Stunde. Wenn wir davon ausgehen, dass die Energieniveaus vergleichbar sind, würde eine Reduzierung der Hintergrundstrahlung auf weniger als die der Erde nur eine etwa 1 Meter dicke Wasserschicht erfordern.

Lassen Sie uns jedoch noch etwas rechnen. Nehmen wir an, das Mars-Fahrzeug, das sie hin und zurück bringt, ist ein Zylinder von etwa 3,5 m x 20 m (derselbe, der für die MARS-500-Experimente verwendet wurde; das ist eine sehr kleine Blechdose, in der man 3 1/2 Jahre verbringen kann 4 oder 5 weitere Personen). Mit 1 m abschirmendem Wasser um alle Oberflächen dieses Zylinders herum wäre die äußere Hülle etwa 5,5 m mal 22 m groß.

Das benötigte Volumen an Schutzwasser ist die Differenz zwischen diesen beiden Zylindern oder 22 ⋅ π ⋅ 2,75 2 − 20 ⋅ π ⋅ 1,75 2 ≈ 522.68 − 192.42 = 330.26 m 3 . Da ein Kubikmeter Wasser 1 Tonne (1.000 kg) wiegt, sind das 330.260 kg, um in den Weltraum zu gelangen.

Um dies ins rechte Licht zu rücken, ist der aktuelle Rekordhalter für Nutzlast-zu-LEO die Saturn-V-Rakete, die eine maximale LEO-Nutzlast von 120.000 kg hatte (wobei diese Nutzlast für die meisten die S-IVb ist, einschließlich CSM, LEM und Erdabgangsstufe seiner Missionen). Um das benötigte Wasservolumen in die Umlaufbahn zu bringen, wären 3 Saturn-V-Raketen erforderlich. Der geplante, aber nie gebaute Ares V hatte eine P2LEO-Kapazität von 188 Tonnen, was die Anzahl der Starts auf nur 2 reduziert hätte. Die Durchführung mit Space Shuttles (25 Tonnen Fracht für LEO) würde 14 Missionen erfordern . Der SLS Block II (130 Tonnen Nutzlast für LEO) würde nur etwa 3 Starts benötigen. Um dies mit einer derzeit in Betrieb befindlichen bemannten oder unbemannten Orbitalrakete (Sojus II, Sojus FG, Delta IV, Atlas V, Falcon 9) zu tun, wären zwischen 50 und 100 Starts erforderlich.

Angesichts der Tatsache, dass wir es schaffen könnten, so viel Masse in LEO zu bringen, ist es viel schwieriger, es aus der Umlaufbahn zu bringen und in den interplanetaren Raum zu gelangen. Mit einem Hohmann-Transferorbit zum Mars zu gelangen, erfordert ungefähr so ​​viel Delta-V wie überhaupt zum LEO zu gelangen. Daher muss der gesamte Treibstoff, der aufgewendet wird, um das Fahrzeug und seinen Wasserschild in den Weltraum zu bringen, in den Orbit gebracht werden, was viel mehr erfordert startet. Die Verwendung einer Schwerkraftunterstützung, sagen wir von der Venus, wäre ein logistischer Albtraum, bei dem alle drei Planeten zum Zeitpunkt des Abflugs von LEO ausgerichtet sein müssten, und obwohl dies Treibstoff sparen würde, müssten wir möglicherweise viel mehr Entfernung zurücklegen und viel mehr Zeit in Anspruch nehmen die Mission weiter über unsere derzeitigen Möglichkeiten hinaus zu platzieren.

Es gibt mehrere Arten schädlicher Strahlung im Weltraum, gilt die 7-Zentimeter-Halbierung für alle?
Wahrscheinlich nicht; Die Daten, die ich habe, befassen sich am meisten mit Gammastrahlen und Neutronenstrahlung, den beiden Formen, die am häufigsten von Atommüll gesehen werden (und die beiden, gegen die man sich am schwersten abschirmen kann). Ionisierende kosmische Strahlung besteht hauptsächlich aus Gammastrahlen und Protonen, die insgesamt der Strahlung von Atommüll sehr ähnlich sind. Protonen sind etwas leichter und hätten daher bei einer bestimmten Geschwindigkeit weniger Energie (leichter gestoppt); Da es sich jedoch um Protonen handelt, werden sie, wenn sie vom Wasser eingefangen werden, im Grunde zu H + -Ionen, die das Schutzwasser mit der Zeit ansäuern könnten (nicht so häufig bei Atommüll).
"Mit einem Hohmann-Transferorbit zum Mars zu fliegen, kostet ungefähr so ​​viel Delta-V wie überhaupt zu LEO zu gelangen" -- Die Fahrt nach LEO dauert ungefähr 9 km / s. Von LEO trans Mars dauert das Einsetzen etwa 3,6 km/s. Bei der Ankunft auf dem Mars reicht eine Brenngeschwindigkeit von 1 km/s aus, um das Raumschiff auf einer elliptischen Umlaufbahn zu parken, deren Periapsis durch die obere Atmosphäre des Mars verläuft. Das Delta V ist etwa halb so groß wie das Erreichen der Umlaufbahn.
Ändern sich die Anforderungen an die Strahlungsdicke (für Wasserschilde) nicht je nach Entfernung von der Sonne? Ich gehe davon aus, dass ein Raumschiff auf Merkur eine dickere Abschirmung benötigen würde als eines auf dem Mars. . .
Sehr wahrscheinlich. Für einen Erde-Mars-Übergang unter Verwendung einer Hohman-Umlaufbahn (was dazu führen würde, dass das Raumschiff zwischen den Umlaufbahnen der beiden Planeten bleibt, anstatt um eine nähere Umlaufbahn zur Sonne zu schleudern), stellen die Zahlen, die wir bereits für Mondexkursionen haben, die höchsten langwierigen Langzeitdosis, da sie die Dosis am nächsten Punkt der Exkursion zur Sonne (außerhalb des schützenden Magnetfelds der Erde) darstellen. Wenn Sie sich der Sonne nähern, sind Sie einem größeren Strahlungsbogen und damit einer größeren Energiemenge ausgesetzt, die Sie durch zusätzliche Abschirmung mäßigen müssen.
Wenn Astronauten die Hälfte ihrer Zeit (Schlafen und ein paar weitere Stunden pro "Tag") in einem Loch mit 1 Meter Durchmesser in einem Zylinder mit 3 Metern Durchmesser und einer Länge von 2 Metern verbringen, der mit einem Meter Wasser oder Treibstoff oder Abfall gefüllt ist, würde das ungefähr wiegen 13 Tonnen (nicht Tausende von Tonnen). Und das allein würde die Strahlenbelastung halbieren.
@HopDavid - die Crew möchte vielleicht irgendwann zur Erde zurückkehren.
@RussellBorogove Wenn "zum Mars gehen" dasselbe wäre wie "zum Mars gehen und zurückkommen", hätten Sie einen Punkt. Aber der letzte Absatz von KeithS beschreibt keine Hin- und Rückfahrt. Er scheint zu sagen, LEO zum Mars sei 9 km/s – was falsch ist.
Wenn ich sage „Ich gehe einkaufen“ oder „Ich gehe zur Arbeit“ oder „Ich gehe nach New York“, ist die Standardannahme, dass ich zurückkomme.
Viele Mars-Architekturen fordern zum Auftanken auf dem Mars auf. Und manche verlangen One-Way-Trips. Also, nein, das ist hier nicht die Standardannahme. Wenn ich sage, dass ich genug Benzin habe, um zur Arbeit zu kommen, ist die Standardannahme, dass ich genug habe, um zur Arbeit zu kommen, nicht zur Arbeit zu kommen und zurückzukommen.
@LocalFluff und wenn wir die Abschirmung in eine Richtung machen könnten, könnten wir das vielleicht auf ~ 2 Tonnen reduzieren.
Dieses Was wäre wenn? Artikel von Randall Munroe geht detailliert auf die "Auswirkungen" des Schwimmens in einem Becken für abgebrannte Kernbrennstoffe ein. Es ist eine großartige Lektüre für Leute, die diese Art von Fragen stellen.
@LocalFluff Es hängt davon ab, wie viel Schaden akzeptabel ist. Die Hälfte Ihrer Zeit abgeschirmt zu verbringen, würde immer noch 40 Tage Gesamtbelastung für eine 80-tägige Reise bedeuten.
Wie lange würde das Wasser reichen? Ich nehme an, dass ein Teil davon im Laufe der Zeit in schweres oder tritiiertes Wasser umgewandelt wird.
Ich wundere mich mehr über die Auswirkungen von kosmischer Strahlung und Wasser auf diese, weil diese für den Menschen am schädlicheren sind. Korrekt?
"1 mSv/hr" - Hintergrundstrahlungszahl scheint nicht korrekt zu sein, es ist eher eine Jahresdosis von 1,26 mSv, stündliche Dosen auf einem Niveau von 0,1-0,18 uSv (10 ^ -6 Sv), nicht sicher, ob es sich auf eine andere Zahlenangabe in der bezieht Post, vielleicht müssen Sie dafür neu bewerten
Erst kürzlich, am 22. Oktober 2021, schleuderte ein Spinlaunch-Test eine suborbitale „Rakete“ mit einer Zentrifuge Zehntausende von Fuß in die Höhe. Reine Vermutung, aber ich sehe Potenzial, um relativ billig Eis für den Bau von Raumfahrzeugabschirmungen und einer Tankstation in der erdnahen Umlaufbahn zu schleudern, um einen Teil des Eises zu Wasserstoff und Sauerstoff zu verarbeiten.
@Keith Reynolds Spinlaunch fungiert nur als erste Antriebsstufe. Um in die Umlaufbahn zu gelangen, muss die durch einen Spin gestartete Nutzlast an einer Rakete der "zweiten" Stufe befestigt werden

Ein 1 km großer Würfel mit Platz für 1.000.000 Menschen mit jeweils 16 Räumen von 20 Quadratmetern würde 18 Tonnen pro Person für eine 3-Meter-Abschirmung erfordern, was die Strahlungswerte auf weniger als 0,000001 R/H der Erdoberfläche reduzieren würde.

Jeder Person 1000 Kubikmeter zuweisen. Bei einer Geschosshöhe von 3 Metern ergeben die 1000 Kubikmeter 333 Quadratmeter Nutzfläche. Dieser Raum kann in 16 Zimmer von 20 Quadratmetern (200 Quadratfuß) unterteilt werden. Die Annahme ist, dass die Menschen einen Teil dieses Raums für Gemeinschaftsräume teilen werden.

Ein 1 km Würfel hat 6 Seiten von je 1000 x 1000 Metern. Die Gesamtfläche beträgt somit 6 * 1000 * 1000 oder 6 Millionen Quadratmeter. Auf die 1 Million Insassen verteilt bedeutet das jeweils 6 Meter Abschirmung. Pro Quadratmeter Fläche werden drei Meter Abschirmung benötigt. Dies ist ein Stapel von 3, 1-Meter-Würfeln. Ein Kubikmeter Wasser wiegt/hat eine Masse von 1 Tonne (sehr nahe an 1 Tonne). Der Stapel von 3 * Fläche von 6 beträgt insgesamt 18 Tonnen.

Bei einem 100-Meter-Würfel (1.000 Personen) sind es 180 Tonnen pro Person. Die Fläche beträgt 6 * 100 * 100 = 60.000 Quadratmeter, also 60 Quadratmeter für jeden der 1000 Menschen. Also 3 * 60 oder 180 Tonnen.

Die 3-Meter-Schildgröße wird aus den Informationen in keithS's Post für dieselbe Frage abgeleitet.

Es ist erforderlich, 100.000 R/h auf 0,000001 (1 Millionstel) R/h zu reduzieren, was einer Reduzierung um das 100-Milliardenfache entspricht - was unter ist 2 38 .

Je 7 cm ( http://www.nist.gov/pml/data/xraycoef/index.cfm ) Wasser teilt die Strahlung um den Faktor 2. Somit sind insgesamt 38 * 7 cm oder 266 cm erforderlich. Verwenden Sie 300 cm / 3 Meter, um die Berechnung zu vereinfachen, und bietet einen zusätzlichen Sicherheitsabstand, der die Berechnung vereinfacht.

Hallo, willkommen bei Space.SE. Interessante Zahlen, würden Sie uns bitte zeigen, wie Sie darauf gekommen sind?
In Bezug auf Ihre Bearbeitung glaube ich nicht, dass Sie aufgefordert wurden, Ihre Geometrie so sehr zu beweisen, wie Sie zu dem Schluss gekommen sind, dass ein 3 m dicker Wasserschild die Strahlungswerte auf weniger als 0,000001 R / Hr reduzieren würde Erdoberfläche . Sie erwähnen auch nicht, für welche Umlaufbahnhöhe Ihre Zahlen gelten. Beachten Sie auch, dass die Frage nicht nach der Masse, sondern direkt nach der Schilddicke fragt. Der größte Teil Ihrer Antwort, bei dem es um die Wassermasse geht, die erforderlich ist, um eine beliebige Anzahl von Insassen pro beliebigem Volumen des Wohnbereichs pro Person abzuschirmen, verfehlt den Punkt.
Die von Ihnen angegebene Referenz gilt für Photonen mit Energien von weniger als 20 MeV. Kosmische Strahlung sind Atomkerne mit Energien meist zwischen 100 MeV und 1 GeV, und der schlimmste Schaden wird von schweren Teilchen wie Eisenkernen angerichtet. Dieses Papier bietet einen guten Überblick - int.washington.edu/PHYS554/2011/chapter9_11.pdf
Welche Dicke/Tiefe des Wassers wäre erforderlich, um eine Strahlenabschirmung in der Erdumlaufbahn bereitzustellen?
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