Tìm hiểu về Bức Xạ Vũ Trụ (Cosmic Radiation)
Một trong những khó khăn lớn nhất của thám hiểm không gian hiện nay là đối phó với bức xạ vũ trụ (cosmic radiation). Giờ chúng ta hãy tìm hiểu đôi chút về bức xạ vũ trụ nhé!
1. Bức xạ vũ trụ là gì?
Bức xạ vũ trụ (cosmic radiation) là tập hợp các hạt năng lượng cao di chuyển gần vận tốc ánh sáng, xuất phát từ không gian bên ngoài Trái Đất. Nó có nguồn gốc từ hai loại chính:
- Tia vũ trụ thiên hà (Galactic Cosmic Rays - GCRs): Là các hạt năng lượng cực cao (proton, hạt nhân nặng như ion sắt, heli) đến từ bên ngoài Hệ Mặt Trời, có thể từ các vụ nổ siêu tân tinh (supernovae) hoặc các hiện tượng vũ trụ xa xôi khác như hố đen, hoặc pulsar, mang năng lượng lên đến 10²⁰ eV (rất hiếm).. GCRs có năng lượng cao hơn nhiều so với SPEs và xuyên thấu mạnh hơn.
- Bức xạ từ Mặt Trời (Solar Particle Events - SPEs): Chủ yếu là proton và các hạt nhẹ khác, được phóng ra trong các đợt phun trào năng lượng từ Mặt Trời (solar flares) hoặc bão Mặt Trời (coronal mass ejections), thường có năng lượng thấp hơn GCRs nhưng xảy ra đột ngột và mạnh mẽ trong thời gian ngắn. Những sự kiện này có thể xảy ra bất ngờ và tăng mạnh trong chu kỳ hoạt động 11 năm của Mặt Trời.
a) Bức xạ vụ trụ là gì?
Cụ thể hơn, bức xạ vũ trụ chủ yếu bao gồm:
- Proton (khoảng 90%): Hạt nhân của nguyên tử hydro, mang năng lượng từ vài MeV (megaelectronvolt) đến hàng GeV (gigaelectronvolt).
- Hạt nhân nặng (Heavy Ions)**: Các nguyên tử như heli, carbon, sắt (gọi là HZE - High-Z and Energy particles), chiếm tỷ lệ nhỏ nhưng có năng lượng cực cao và khả năng xuyên thấu mạnh.
- Electron, photon, và neutron: Ít phổ biến hơn, thường là sản phẩm thứ cấp khi các hạt chính va chạm với vật chất.
Khi các hạt này đi vào không gian hoặc va chạm với vật chất (như tàu vũ trụ, cơ thể người), chúng tạo ra bức xạ thứ cấp (secondary radiation) như neutron hoặc tia gamma, làm tăng thêm mức độ nguy hiểm.
b) Đơn vị đo bức xạ
Bức xạ được đo bằng các đơn vị khác nhau tùy theo mục đích:
- Gray (Gy): Đo liều hấp thụ (absorbed dose), biểu thị năng lượng bức xạ truyền vào 1 kg vật chất. 1 Gy = 1 Joule/kg.
- Sievert (Sv): Đo liều tương đương (equivalent dose), tính đến tác động sinh học của các loại bức xạ khác nhau lên cơ thể người. 1 Sv = Gy × yếu tố chất lượng (quality factor, ví dụ: 1 cho tia gamma, 20 cho hạt nhân nặng).
- Thường dùng mSv (millisievert, 1/1000 Sv) hoặc µSv (microsievert, 1/1,000,000 Sv) vì liều thực tế thường nhỏ.
- Rad và Rem: Đơn vị cũ, ít dùng hơn (1 Gy = 100 rad, 1 Sv = 100 rem).
Trong không gian, liều bức xạ thường được đo bằng Sv vì nó phản ánh mức độ nguy hiểm thực tế đối với con người.
c) Năng lực chịu đựng bức xạ của con người
Con người tiếp xúc với bức xạ tự nhiên hàng ngày (background radiation) từ môi trường, nhưng mức độ trong không gian cao hơn rất nhiều. Dưới đây là các ngưỡng cụ thể:
Bức xạ tự nhiên trên Trái Đất
- Liều trung bình hàng năm: Khoảng 2.4 mSv/năm (0.0024 Sv), từ tia vũ trụ, radon trong đất, và thực phẩm. Ở độ cao lớn (như trên máy bay), liều tăng lên khoảng 0.005-0.01 mSv mỗi giờ bay do gần tia vũ trụ hơn.
- Mức bình thường: Dưới 10 mSv/năm được coi là an toàn, không gây ảnh hưởng đáng kể.
Ngưỡng gây hại
- Dưới 100 mSv: Không có triệu chứng tức thì, nhưng tăng nhẹ nguy cơ ung thư dài hạn (khoảng 0.5% mỗi 100 mSv).
- 100-500 mSv: Có thể gây tổn thương tế bào nhẹ, giảm bạch cầu, nhưng thường không triệu chứng rõ ràng ngay lập tức.
- 500 mSv - 1 Sv: Bắt đầu xuất hiện hội chứng bức xạ cấp tính (Acute Radiation Syndrome - ARS):
Buồn nôn, mệt mỏi, giảm tế bào máu.
Tăng nguy cơ ung thư rõ rệt (5-10% mỗi Sv).
Ngưỡng tử vong
- 2-4 Sv: Liều gây tử vong cho 50% người tiếp xúc trong 30 ngày (LD50/30) nếu không điều trị. Triệu chứng: nôn mửa, xuất huyết nội tạng, suy đa cơ quan.
- 6-8 Sv: Gần như chắc chắn tử vong trong vòng 1-2 tuần, ngay cả với điều trị y tế.
- 10 Sv trở lên: Tử vong trong vài giờ đến vài ngày do phá hủy hoàn toàn hệ thần kinh và mô.
Trong không gian
- Trên ISS (quỹ đạo thấp): Phi hành gia nhận khoảng 0.5-1 mSv/ngày (180-360 mSv/năm), nhờ từ trường Trái Đất bảo vệ một phần.
- Đi sao Hỏa: Liều tích lũy khoảng 0.5-1 Sv cho toàn bộ chuyến đi (6-9 tháng mỗi chiều + thời gian trên bề mặt), vượt quá giới hạn an toàn cả đời của NASA (1 Sv).
d) Năng lực chịu đựng của các giống loài khác trên Trái Đất
Khả năng chịu bức xạ khác nhau giữa các loài, phụ thuộc vào cấu trúc sinh học:
- Vi khuẩn (Deinococcus radiodurans): Chịu được 5,000-15,000 Gy (tương đương hàng triệu Sv), nhờ cơ chế sửa chữa DNA siêu hiệu quả. Đây là loài "cứng đầu" nhất với bức xạ.
- Côn trùng (như gián): Chịu được 100-1,000 Gy (10,000-100,000 mSv), gấp hàng trăm lần con người, do tế bào ít nhạy cảm hơn.
- Chuột: LD50/30 khoảng 6-8 Gy (600-800 mSv), tương đương con người.
- Cây cối: Một số loài (như thông) chịu được 50-100 Gy, nhưng phần lớn chết ở 10-20 Gy.
- Động vật lớn (như chó, heo): Giới hạn tử vong khoảng 3-5 Gy, thấp hơn con người một chút.
Tóm lại, con người khá nhạy cảm với bức xạ so với nhiều loài khác, đặc biệt là vi sinh vật hoặc côn trùng.
e) So sánh với bức xạ vũ trụ
- Trên ISS: 0.5-1 mSv/ngày là mức cao nhưng vẫn trong khả năng chịu đựng ngắn hạn của con người.
- Ngoài quỹ đạo thấp: Liều GCRs khoảng 1-2 mSv/ngày, cộng với SPEs có thể lên đến hàng trăm mSv trong vài giờ nếu không được che chắn. Đây là lý do các sứ mệnh dài hạn (như sao Hỏa) rất nguy hiểm.
- Trên sao Hỏa: Bề mặt nhận khoảng 0.2-0.3 mSv/ngày (do không có từ trường mạnh), cao hơn Trái Đất nhưng thấp hơn không gian sâu.
Nếu không có biện pháp bảo vệ, một bão Mặt Trời mạnh trong không gian sâu có thể đẩy liều lên 1-2 Sv trong vài giờ, đủ gây hội chứng bức xạ cấp tính hoặc tử vong ngay lập tức.
Bức xạ vũ trụ, với năng lượng cao và khả năng xuyên thấu, là mối đe dọa lớn trong thám hiểm không gian. Đơn vị Sv giúp đo lường tác động sinh học, và con người chỉ chịu được khoảng 2-4 Sv trước khi tử vong, trong khi các loài khác như vi khuẩn có thể sống sót ở mức cao hơn rất nhiều. Trong bối cảnh không gian, liều tích lũy từ GCRs và SPEs vượt xa ngưỡng an toàn, đòi hỏi các giải pháp che chắn tiên tiến (như đã đề cập trước đó).
2. Tác hại của bức xạ vũ trụ đối với con người và thiết bị
Đối với con người
Bức xạ vũ trụ gây ra nhiều mối nguy hiểm nghiêm trọng:
- Tổn thương DNA: Các hạt năng lượng cao xuyên qua cơ thể, phá vỡ liên kết DNA, dẫn đến đột biến. Điều này làm tăng nguy cơ ung thư (đặc biệt là ung thư da, máu) trong dài hạn.
- Hội chứng bức xạ cấp tính (Acute Radiation Syndrome): Nếu tiếp xúc với liều lượng lớn trong thời gian ngắn (như từ bão Mặt Trời), phi hành gia có thể bị buồn nôn, suy giảm hệ miễn dịch, tổn thương nội tạng, thậm chí tử vong.
- Tác động thần kinh: Nghiên cứu cho thấy các hạt nặng (HZE - High-Z and Energy particles) từ GCRs có thể gây tổn thương hệ thần kinh trung ương, ảnh hưởng đến trí nhớ, khả năng nhận thức và phản xạ, đặc biệt nguy hiểm trong các sứ mệnh dài.
- Thị lực: Một số phi hành gia trên ISS báo cáo hiện tượng "ánh sáng lóe" trong mắt do các hạt năng lượng cao xuyên qua võng mạc, có thể dẫn đến thoái hóa thị lực.
Đối với thiết bị
- Hỏng hóc linh kiện điện tử: Các hạt năng lượng cao có thể gây ra hiện tượng "single event upset" (SEU), làm sai lệch dữ liệu hoặc hỏng vi mạch trong máy tính, hệ thống định vị, và thiết bị liên lạc.
- Suy giảm vật liệu: Bức xạ làm suy yếu cấu trúc vật liệu (như kim loại, nhựa) trên tàu vũ trụ, giảm tuổi thọ của vỏ tàu hoặc các bộ phận quan trọng.
- Ảnh hưởng đến năng lượng mặt trời: Các tấm pin Mặt Trời bị giảm hiệu suất khi tiếp xúc lâu dài với bức xạ.
Ví dụ: Một chuyến đi đến sao Hỏa (6-9 tháng mỗi chiều) có thể khiến phi hành gia nhận liều bức xạ từ 0.5 đến 1 Sievert (Sv), trong khi giới hạn an toàn cả đời của NASA là khoảng 1 Sv. Điều này cho thấy mức độ nguy hiểm vượt xa các sứ mệnh quỹ đạo thấp hiện nay.
3. Giải pháp hiện tại
Hiện nay, các biện pháp bảo vệ khỏi bức xạ vũ trụ còn rất hạn chế và chủ yếu mang tính ứng phó:
- Che chắn thụ động (Passive Shielding):
- Vật liệu: Tàu vũ trụ sử dụng nhôm, polyethylene (nhựa giàu hydro) hoặc nước làm lớp chắn. Hydro hiệu quả vì nó làm chậm và phân tán các hạt năng lượng cao.
- Hạn chế: Lớp chắn dày giúp giảm GCRs nhưng tăng khối lượng tàu, làm tăng chi phí phóng. Đối với SPEs, các "phòng trú bão" nhỏ (storm shelters) bằng vật liệu dày được thiết kế trong tàu để phi hành gia trú ẩn khi bão Mặt Trời xảy ra.
- Theo dõi và dự báo: Các vệ tinh như SOHO hoặc ACE theo dõi hoạt động Mặt Trời để cảnh báo sớm về SPEs, cho phép phi hành gia kịp thời tìm nơi trú ẩn.
- Hạn chế thời gian tiếp xúc: Các sứ mệnh hiện tại (như trên ISS) được giới hạn trong quỹ đạo thấp, nơi từ trường Trái Đất vẫn cung cấp một phần bảo vệ.
- Thuốc và chống oxy hóa: NASA nghiên cứu các hợp chất (như antioxidants) để giảm tổn thương DNA, nhưng hiệu quả còn hạn chế.
Tuy nhiên, những giải pháp này không đủ cho các sứ mệnh dài như đến sao Hỏa, vì GCRs xuyên qua hầu hết vật liệu thông thường và không thể dự báo trước.
4. Giải pháp tương lai
Để vượt qua thách thức này trong tương lai, các nhà khoa học đang hướng đến các ý tưởng sáng tạo hơn:
- Che chắn chủ động (Active Shielding):
- Nguyên lý: Tạo ra từ trường nhân tạo quanh tàu vũ trụ để làm lệch hướng các hạt tích điện (proton, ion). Điều này mô phỏng từ trường Trái Đất.
- Công nghệ: Dùng nam châm siêu dẫn hoặc plasma để tạo từ trường. Một số thiết kế đề xuất "vành đai từ" (magnetic toroid) bao quanh tàu.
- Khó khăn: Cần nguồn năng lượng khổng lồ (như lò phản ứng hạt nhân nhỏ) và công nghệ siêu dẫn tiên tiến. Hiện tại, các thử nghiệm chỉ ở quy mô phòng thí nghiệm.
- Vật liệu cải tiến:
- Hydro lỏng hoặc nước: Xây dựng các bể chứa nhiên liệu hoặc nước bao quanh khu vực sinh sống để vừa che chắn vừa tận dụng tài nguyên. Tuy nhiên, điều này đòi hỏi thiết kế tàu phức tạp hơn.
- Vật liệu nano: Các cấu trúc nano giàu hydro hoặc boron nitride đang được nghiên cứu để tạo lớp chắn nhẹ và hiệu quả hơn.
- Tăng tốc độ di chuyển: Rút ngắn thời gian tiếp xúc bằng động cơ tiên tiến (như động cơ hạt nhân nhiệt hoặc ion) để giảm liều bức xạ tích lũy. Ví dụ, động cơ hạt nhân có thể cắt giảm thời gian đến sao Hỏa xuống còn 3-4 tháng.
- Công nghệ sinh học:
- Sửa chữa DNA: Sử dụng liệu pháp gene (như CRISPR) để tăng khả năng tự sửa chữa DNA của phi hành gia trước bức xạ.
- Cơ thể thích nghi: Nghiên cứu vi sinh vật sống sót trong môi trường bức xạ cao (như tại Chernobyl) để tìm cách tăng cường khả năng kháng bức xạ của con người.
- Trú ẩn tại chỗ: Trên sao Hỏa, xây dựng căn cứ dưới lòng đất hoặc trong các ống dung nham (lava tubes) để tận dụng lớp đá tự nhiên làm lá chắn chống bức xạ.
Tóm lại, khó khăn lớn nhất trong việc bảo vệ con người khỏi bức xạ vũ trụ nằm ở chỗ: không có giải pháp nào hiện tại đủ toàn diện cho các sứ mệnh dài hạn. Che chắn thụ động thì nặng và không hiệu quả với GCRs, còn che chắn chủ động đòi hỏi công nghệ chưa trưởng thành. Tác động của bức xạ không chỉ là vấn đề kỹ thuật mà còn là rào cản sinh học, buộc chúng ta phải kết hợp cả vật lý, hóa học và y học để giải quyết.
Trong tương lai, sự kết hợp giữa từ trường nhân tạo và vật liệu tiên tiến có thể là chìa khóa, nhưng cần hàng thập kỷ nghiên cứu và đầu tư lớn.
Nhận xét
Đăng nhận xét