Welche Materialien bieten den besten Schutz vor kosmischer Strahlung?

Es gibt eine ziemlich gute Wikipedia-Seite darüber, die ein paar Optionen auflistet:

• Wasser sorgt für eine ziemlich gute Strahlenabschirmung ( hier auch mit landgestützter Strahlung besprochen ), ist aber relativ schwer und wird während des Fluges verbraucht.
• Flüssiger Wasserstoff ist auch gut und wird als Treibstoff verwendet, also wird er schon an Bord sein. Allerdings wird auch diese während des Fluges verbraucht.
• Wir könnten die Materialien ändern, aus denen Raumfahrzeuge bestehen. Da wasserstoffreiche Materialien die häufigsten Arten von kosmischer Strahlung gut abschirmen, könnten einige Kunststoffe funktionieren. Dies würde jedoch einige Umstrukturierungen erfordern, um praktikabel zu sein.
• Wie JKor sagte, menschlicher Abfall funktioniert gut, hat aber "Grobheitsprobleme". Dies ist jedoch insofern einzigartig, als es mit fortschreitendem Flug zunimmt statt abnimmt, sodass es flüssigen Wasserstoff und Wasser ergänzen könnte.

Eines der größten Probleme beim Aufbringen einer zusätzlichen Abschirmung ist, dass sie tendenziell schwer ist und mehr Gewicht == mehr Kosten.

Die Wikipedia-Seite erwähnt eine aktive magnetische Abschirmung, aber das ist an dieser Stelle hauptsächlich eine theoretische Idee.

Die Abschirmung ist auch für unbemannte Missionen wichtig (wenn auch nicht so sehr), da Strahlung Auswirkungen auf Computersysteme haben kann, indem sie die magnetische Speicherung stört - siehe diesen Artikel von National Geographic und diese Pressemitteilung der NASA für ein Beispiel eines solchen Ereignisses auf Voyager 2 .

In Bezug auf mögliche Reisen in unserem eigenen Sonnensystem gibt es zwei allgemeine Arten von Strahlung, die uns Sorgen bereiten!

Die erste Strahlungsart ist die Sonnenstrahlung, die hauptsächlich aus nieder- bis mittelenergetischen Protonen, Elektronen und Röntgenstrahlen unseres eigenen Sterns besteht. Wir würden die Protonen mit niedermolekularen Materialien abschirmen. Typischerweise werden dafür wasserstoffhaltige Materialien wie Lithium-Hydrid verwendet, weil sie sowohl Protonen als auch Neutronen, die aus zukünftigen Reaktoren kommen könnten, effektiv stoppen und weil sie so leicht sind. Die Elektronen und Photonen (Röntgenstrahlen) werden am besten mit High-Z-Materialien gestoppt. High-Z-Materialien bestehen aus Elementen, die viele Elektronen pro Atom haben. Während High-Z-Materialien verwendet werden, um Elektronen und Photonen zu stoppen, sind sie auch nützlich, um andere geladene Teilchen zu stoppen, einschließlich der Unterstützung von Protonen.

Die zweite Strahlungsart sind galaktische kosmische Strahlen (GCRs). GCRs sind typischerweise sehr hochenergetische massive Teilchen wie Kohlenstoff- und Eisenatome. Aufgrund ihrer energetischen Natur und ihrer Masse sind diese Partikel sehr schwer zu stoppen. Das Stoppen von GCRs erfordert dicke Schichten von High-Z-Materialien, die typischerweise dicht und schwer sind. Schwere Abschirmungen sind teuer und schwer in den Weltraum zu bringen. Ich werde nicht so weit gehen zu sagen, dass wir GCRs nicht abschirmen können, aber ich werde sagen, dass das Gewicht moderner Abschirmmaterialien den Anschein erweckt, als ob aktuelle Ansätze zur GCR-Abschirmung nicht praktikabel sind.

Unser Stern ist ein Typ-G-Hauptreihenstern, der Helium durch Proton-Proton-Fusion in seinem Kern produziert. Aufgrund der Fusionsdynamik in unserem Stern sind ionisierte Heliumnuklide das Hauptprodukt dieser Fusion. Ein Teil des durch Proton-Proton-Fusion erzeugten Heliums wird jedoch selbst fusioniert, wodurch Kohlenstoff entsteht. Wenn Sterne massiver werden, beginnen sie, schwerere Elemente zu verschmelzen, die in den Weltraum geschleudert werden können. Eisen-56 ist das schwerste Element, das von traditionellen Sternen produziert werden kann, wobei die schwersten Elemente von viel energiereicheren Ereignissen wie einer Supernova produziert werden.

Die durch die Fusion dieser Isotope erzeugte Energie ionisiert Gase in der Nähe des Randes unseres Sterns und erzeugt große Mengen an Protonen und Elektronen, die während koronaler Massenauswürfe in den Weltraum geschleudert werden. Zahlenmäßig liegt der größte Teil der Strahlung unseres Sterns sowie anderer Sterne in Form von Protonen, Elektronen und Photonen vor, mit geringeren Mengen an schweren Nukliden. Je schwerer die Nuklide sind, desto seltener findet man sie statistisch gesehen im Weltraum strömend. Während ich hauptsächlich von unserem Stern spreche, gilt das Gleiche für andere Sterne, unabhängig von ihrer Masse.

Andere Sterne produzieren zwar Protonen, Elektronen und Photonen, die in unseren Sonneneinflussbereich einströmen; Diese anderen Sterne stoßen jedoch Strahlung in alle Richtungen aus, wobei nur ein sehr kleiner Bruchteil von ihnen in den engen Kegelwinkel ausgestoßen wird, um es zu unserem Sonnensystem zu schaffen. Auch ein Großteil der geladenen Strahlung anderer Sterne wird durch das Magnetfeld der Sonne abgelenkt. Infolgedessen wurde die überwiegende Mehrheit der Protonen und Elektronen in unserem Sonnensystem von unserem Stern ausgestoßen und nicht von anderen Sternen, und diejenigen, die dies nicht tun, haben größtenteils die gleiche Energie wie die Protonen und Elektronen, die von unserem eigenen Stern ausgestoßen werden. Aus diesem Grund vernachlässigen wir im Wesentlichen nicht-solare Protonen und Elektronen aus unseren Berechnungen der Strahlenbelastung, da sie in ihrer Wirkung auf die Energiedosis vernachlässigbar sind.

Die schweren Elemente, die von superenergetischen Ereignissen wie einer Supernova ausgestoßen werden, bewegen sich jedoch nahezu mit Lichtgeschwindigkeit und haben daher eine tiefgreifende Wirkung auf biologisches Gewebe und Elektronik, auf die sie treffen. Obwohl sie nur einen sehr kleinen Bruchteil der Gesamtpartikelzahl pro Volumeneinheit im Weltraum ausmachen, sind die Auswirkungen, die sie auf die absorbierte Dosis haben können, nicht zu vernachlässigen. Wenn wir also über galaktische kosmische Strahlung sprechen, sprechen wir im Allgemeinen über die energiereichen schweren Ionen aus extrasolaren energetischen Ereignissen und nicht über die Protonen und Elektronen aus normalen, alltäglichen extrasolaren Quellen.

Ein mögliches Material, das in Scientific American erwähnt wurde, sind Fäkalien. Die darin enthaltenen Kohlenwasserstoffe können die Strahlung sicher absorbieren.
Der größte Teil der Öffentlichkeit würde diese Möglichkeit jedoch aufgrund des Grobheitsfaktors ablehnen (genau wie das Recycling von Wasser durch Reinigen und Desinfizieren von Urin).

Es ist die Rede davon, dass es möglich sein könnte, Magnete als Schutzschild gegen kosmische Strahlung zu verwenden:

Astronauten, die zur Internationalen Raumstation reisen, werden vor einem Großteil dieser Strahlung durch die Erdatmosphäre sowie durch ihre „Magnetosphäre“, die magnetisierte Plasmablase, die die Erde umgibt und durch ihr Magnetfeld erzeugt wird, geschützt. Personen auf längeren Flügen haben jedoch diese natürliche Abschirmung nicht und sind daher einem höheren Risiko ausgesetzt.

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Injizieren eines Überschallplasmas in ein 1,5 m langes Vakuumgefäß, das mit Magnetspulen ausgekleidet ist, wobei ein Zielmagnet am anderen Ende des Gefäßes platziert ist. Unter Verwendung sowohl optischer Bildgebung als auch einer elektromagnetischen Sonde zeigte Bamfords Team, dass der Zielmagnet das Plasma so ablenkte, dass das Volumen des den Magneten umgebenden Raums fast vollständig frei von Plasmapartikeln war.

-- physikworld.com

Ein Bild, das zeigt, wie das Magnetfeld der Erde dafür sorgt:

Sauber!

Ich weiß, dass dies keine so gute Antwort ist wie die meisten hier. Ich würde sagen, dass ein Luftschiff um das Schiff herum aufgeblasen und das Gas elektrifiziert werden könnte, um eine elektromagnetische Abschirmung zu erzeugen. Diese Methode ist leicht.

https://chemistry.stackexchange.com/questions/94514/can-gas-be-made-to-block-radiation-better