《火星救援》剧照
在阿波罗时代期间的1972年8月7日，太阳大气中爆发了一场巨型耀斑。这一事件释放 出了一场几乎跨越波段的巨型爆发，还加速了一大波高能粒子。它们大多数是质子，还混杂有少数电子以及较重的元素。这波高速运动的粒子对于任何走出地球防护性磁泡的人来说都很危险。幸运的是，阿波罗16号机组在仅仅5个月之前返回了地球，将将躲过了这场强有力的事件。
在载人航天时代的早期，科学家刚刚开始了解到太阳上的事件是如何会对太空产生影响，而 这样的辐射又是如何会转而影响人体和设备的。如今由于全面的太空辐射研究，我们对空间环境及其影响，以及保护宇航员的最佳方式有了更好的了解——而对于 NASA的载人登陆火星任务来说，这都是关键部分。
2015 年4月28日到29日，一条长长的日珥喷发进了太空中。这类喷发叫做日冕物质抛射（CME），有时会跟随一拨高能粒子，对于超出地球磁场系统和大气层防护 范围之外的宇航员和电子设备来说，这些粒子会是非常危险的。对于载人前往火星的旅程来说，我们必须要在任务规划的每个部分都考虑粒子辐射的防护问题。（图 片提供：ESA/NASA/SOHO）
影片《火星救援》 凸显了在前往火星的往返旅程中可能存在的辐射风险。虽然影片中的任务是虚构的，但是NASA已经开始致力于开发相关技术，以在21世纪30年代开展真正的火星之旅。在影片中，火星上的宇航员居住区为他们防护着辐射的威胁，而实际上，辐射屏蔽会是火星之旅的关键技术。从更好的屏蔽设备到先进的生物医学措施，NASA当前正在研究如何防护宇航员与电子设备免受辐射之害——这些努力将结合到火星任务规划的每个方面中去，从航天器到居住区设计再到太空行走方案 无一例外。
来自马里兰州格林贝尔特（Greenbelt）NASA戈达德太空飞行中心载人航天计划设计师兼工程师鲁森·刘易斯（Ruthan Lewis）说：“无论是从地球到火星的旅程还是在火星表面的活动，在宇航员日常生活的每一件事情中，太空辐射环境都是要顾及的关键。”
在最基本的层面上，辐射只是向另一个物体（无论它是宇航员还是航天器部件）携带能量的波动或亚原子粒子。太空中的主要顾虑就是粒子辐射。高能粒子可以径直穿过皮肤，沉积能量并沿途破坏细胞或DNA，因此对人体具有危险性。这样的破坏意味着在随后的余生中患癌症的风险提高，最坏的可能则是如果高能粒子剂量过大，宇航员在任务期间就会得上严重的辐射病。
对我们来说幸运的是，地球的天然防护屏蔽了几乎所有高能粒子，除了能量最高的粒子之外，其他都不会抵达地表。名为磁层的一个巨型磁泡让大多数这样的粒子路径发生了偏转，保护了我们的地球。而我们的大气随后会吸收穿过磁泡的大多数粒子。重要的是，由于国际空间站（ISS）在磁层之内环绕地球的低轨道上运行，它也可以为我们的宇航员提供相当的防护。
来自休斯敦市NASA约翰逊航天中心的科学家凯利·李（Kerry Lee）说：“我们在ISS住人的内部设置了测量辐射环境的仪器，甚至在空间站外面也有。”
ISS成员跟踪监测的内容还每名宇航员短期以及一生之中接受的辐射剂量，以评估辐射相关疾病的风险。虽然NASA保守的辐射上限大于地球上辐射相关工作者允许的剂量，但在地球磁层之内，宇航员在NASA的上限之下可以在ISS上很好地生活和工作。
但是前往火星的旅程需要宇航员向外走到远得多的地方，超出了地球磁泡的保护范围。
来自戈达德中心的航天辐射工程师乔纳森·佩里什（Jonathan Pellish）说：“火星上可以进行很多不错的科学研究，但是行星际航天飞行承担的辐射风险要比在地球低轨道上工作大得多。”
载人火星任务意味着就算在红色星球上停留时间很短，也还要让宇航员进入行星际空间至少 一年。在此期间，宇航员几乎所有的时间都要处于地球磁层以外，暴露在恶劣的太空辐射环境中。火星没有全球性的磁场来让高能粒子发生偏转，而它的大气也比地球稀薄很多，因此哪怕在火星表面上，宇航员受到的防护也非常少。
在 这张海盗1号轨道器在1976年6月拍摄的照片中，火星富尘的红色表面之上漂浮着半透明的大气。与地球大气相比，稀薄的火星大气对四面八方射入的快速运动的高能粒子的屏蔽效果要差很多，这意味着火星上的宇航员必须要借助防护，免受恶劣的辐射环境之害。（图片提供：NASA/Viking 1）
在整个旅途中，宇航员都必须要防护两类辐射源。第一类来自太阳，太阳会规律地释放稳定的太阳粒子流，偶尔还会在巨型喷发（如太阳耀斑和日冕物质抛射）之后出现较大的爆发。这些高能粒子几乎都由质子组成，不过虽然太阳释放的粒子数量大得无法计数，但质子能量足够低，因此航天器本体结构就可以对几乎全部的太阳粒子进行物理屏蔽。
由于太阳活动为深空辐射环境作了很大贡献，更好地了解太阳对辐射环境的调制会让任务规划者为未来的火星任务进行更好的决定。NASA当前有一系列的航天器在整个太阳系中研究太阳和太空环境。来自这一研究领域（太阳物理学）的观测帮助我们更好地了解了太阳喷发的起源，以及这些事件对整体太空环境带来的影响。
佩里什说：“如果我们能够确切地知道正在发生的情况，我们毋须进行保守估计，这就在任务规划期间为我们提供了更多灵活性。”
第二种高能辐射源更难以屏蔽。这些粒子来自银河宇宙线，通常它们被称作GCR。它们是被加速到几近光速的粒子，从银河系中的其他恒星甚至是其他星系射入我们的太阳系。与太阳粒子一样，银河宇宙线粒子主要是质子。然而这其中的一部分是更重的元素，从氦到最重的元素不等。这些能量更高的粒子在轰击物质（如宇航员、航天器的金属侧壁、居住区或车辆）后，可以将其中的原子击碎，让亚原子粒子流涌入被轰击物的结构中去。人们知道，这种次级辐射可以达到具有危险性的水平。
屏蔽这些能量更高的粒子及其次级辐射的方式有两种：要么是使用多得多的传统航天器材料，又或者是使用更为有效的屏蔽材料。
环绕在某个结构周围的材料净体积将吸收高能粒子及其成协的次级粒子辐射，让它们无法抵达宇航员。然而，依靠航天器侧壁体积来防护宇航员的成本贵得让人无法承受，原因是更多的质量意味着发射时需要更多的燃料。
使用更有效的屏蔽材料可以缩减质量与开支，不过寻找合适的材料就需要进行研究，还要借助才智了。NASA当前正在研究几种可能性，它们可以用在从航天器到火星居住区再到宇航服的各个方面。
佩里什说：“阻挡粒子辐射的最好方式是让高能粒子冲入体积相当的东西中。否则这就好像是你骑着三轮车撞击拖拉机一样。”
由于质子和中子大小接近，有一种元素可以非常好地阻隔二者——氢，其最常见的形式由一个质子和一个电子组成。方便的是，氢是宇宙中丰度最高的元素，而且是很多常见化合物（如水和聚乙烯等塑料）重要的组成部分。工程师可以充分利用已有的质量，通过将宇航员的垃圾处理为填充塑料的砖块，来加强辐射防护。在航天器或居住区中，宇航员本来就需要的水分可以有策略地存储起来，形成一道辐射风暴的防护屏障。然而这种策略是存在一些挑战的——宇航员需要使用水分，随后用先进生命支持系统提供的循环水来补充代替它们。
聚乙烯是水瓶和购物袋中使用的同一种塑料，它也是辐射屏蔽的一种候选材料。聚乙烯中氢元素含量极高，而且生产成本较低。然而这种材料强度并不够大，无法构筑大型结构，尤其是一架在发射期间要经受高温和强大作用力的航天器。而将聚乙烯与金属结构结合起来会大大增加质量，这意味着发射时需要更多的燃料。
来自弗吉尼亚州汉普顿市（Hampton）NASA兰利（Langley）研究中心的材料研究者希拉·蒂博（Sheila Thibeault）说：“我们在减轻并屏蔽高能粒子方面取得了进展，不过我们还在努力寻找适宜屏蔽辐射且可以充当航天器主体结构的材料。”
NASA正在开发的一种材料有望完成这两大任务：氢化硝化硼纳米管（又名氢化BNNT）是由碳、硼和氮元素组成的微小纳米管，而氢原子撒布在纳米管之间空荡荡的区域里。硼还非常擅长吸收次级中子，这样氢化BNNT成为了屏蔽辐射的理想材料。
蒂博说：“这种材料强度很高，甚至在高温下依旧如此，因此它是航天器结构的理想材料。”
这份计算机模拟图是基于NASA的火星大气与挥发物演化（MAVEN）探测器的数据绘制的，展示了流动的太阳风与火星高层大气之间的相互作用。MAVEN正在采集火星空间环境的信息，这些信息对于21世纪30年代载人火星任务的规划来说将是关键。点击阅读更多关于MAVEN大气粒子测绘的信息（图片提供：X. Fang, University of Colorado, and the MAVEN science team）
引人注目的是，研究者已经使用BNNT成功制造了线团，因此它具有足够的弹性，可以织成航天服的材料，哪怕在飞行期间或者在严酷的火星表面上进行太空行走时，它都可以为宇航员提供显著的辐射防护。虽然氢化BNNT仍旧处在开发测试阶段，但它有望成为火星航天器、居住区、车辆以及宇航服使用的关键结构和屏蔽材料之一。
物理屏蔽并非让粒子辐射不会抵达宇航员的唯一选择。科学家正在探索建造力场的可能性。力场不仅仅只是科学幻想。与地球磁场保护我们免遭高能粒子之害一样，相对较小的局域化电场或磁场只要足够强且形态合适，也可以在航天器或居住区周围形成防护泡。当前为了形成这样的大尺度力场，所需的能源与结构材料将是无法承受的，因此为了让它们变得可行，还需要更多的工作。
健康风险也可以通过可行的方式得以减低，如在航天器或火星居住区上划出专门的一块区域充当辐射风暴的避难所；准备号太空行走与研究方案，使身居重度防护的航天器或居住区之外的时间减到最少；同时还有保证宇航员在辐射风暴到来之时可以快速返回室内。
降低辐射风险还可以在人体水平上得以实现。虽然现在距离这一步还比较远，但某种可以部分或全部抵消辐射对健康产生的影响的药物会让安全往返火星的旅途规划变得容易很多。
佩里什说：“最终解决辐射风险的方案将会结合多个方面。解决方案的一部分是我们手头已有的技术，如富氢材料；不过另一部分将是最前沿的概念，我们还没有想到它们。”
封面图：《火星救援》
