[論文レビュー] Active Radiation Shield for Space Exploration Missions (ARSSEM)

R. Battiston, W.J. Burger+11 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2012

Astro and Planetary Science被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、長期間の深宇宙ミッションにおける宇宙飛行士を保護するため、二重ヘリカル磁気コイル構成を用いた能動的放射線シールドを提案している。フルフィジックスシミュレーションを用いて、荷電粒子を偏折させることで被曝線量を顕著に低減することを示しており、現実のミッション条件下で、被害が深刻な臓器の効用線量が最大70％まで低減される結果が得られている。

ABSTRACT

One of the major issues to be solved is the protection from the effects of ionizing radiation. Exploration mission, lasting two to three years in space, represents a very significant step from the point of view of radiation protection: both the duration (up to 5 times) and the intensity (up to 5 times) of the exposure to radiation are increased at the same time with respect to mission on the ISS reaching and sometime exceeding professional career limits. In this ARSSEM report, after reviewing the physics basis of the issue of radiation protection in space, we present results based for the first time on full physics simulation to understand the interplay among the the various factors determining the dose absorbed by the astronauts during a long duration mission: radiation composition and energy spectrum, 3D particle propagation through the magnetic field, secondary production on the spacecraft structural materia, dose sensitivity of the various parts of the human body. As first application of this approach, we use this analysis to study a new magnetic configuration based on Double Helix coil and exhibiting a number of interesting features which are suited to active shield application. The study also proposes a technology R&D roadmap for active radiation shield development which would match ESA decadal development strategy for human exploration of space.

研究の動機と目的

• 低地球軌道を超えた長期の有人宇宙ミッションにおける線溶放射線被曝という重要な課題に対処すること。
• 被動的シールドの限界を克服し、深宇宙環境に適した能動的磁気放射線シールドを開発すること。
• 新しい二重ヘリカルコイル磁気配置の放射線被曝線量低減効果を、人間の臓器に特化した観点から評価すること。
• 欧州宇宙機関（ESA）の10年戦略に整合する技術開発ロードマップを策定すること。
• 放射線の組成、磁場の幾何学的配置、宇宙船構造材、臓器特異的線量感受性の間の相乗作用を定量化すること。

提案手法

• モンテカルロ法を用いて、3次元磁場配置を介した荷電粒子輸送のフルフィジックスシミュレーションを実施する。
• 実際のエネルギースペクトルと組成を反映した銀河宇宙線および太陽粒子イベントに基づいて放射線環境をモデル化する。
• 詳細な材料相互作用モデルを用いて、宇宙船構造材内での二次粒子生成をシミュレートする。
• 人間の臓器特異的放射線感受性データを統合し、被害臓器への効用線量および同等線量を計算する。
• 入射荷電粒子を偏折させるための特許的な磁場を生成するための二重ヘリカルコイル幾何形状を設計・分析する。
• 線量低減指標を用いて、さまざまなミッション段階および放射線条件でのシールド性能を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2〜3年間の深宇宙ミッション中、二重ヘリカル磁気コイル構成は、宇宙飛行士への効用線量をどの程度低減するか？
• RQ2 磁場強度や幾何学的配置を変化させた場合、銀河宇宙線および太陽高エネルギー粒子の偏折にどのような影響を与えるか？
• RQ3 宇宙船構造材内で生成される二次粒子は臓器への線量にどのように寄与するか？ また、能動的シールドはこの寄与をどの程度低減できるか？
• RQ4 シールドのサイズ、消費電力、放射線保護性能の間のトレードオフはどのようなものか？
• RQ5 特に眼の水晶体や心臓といった被害が深刻な臓器について、被動的シールドと比較して、能動的シールドは線量低減効果でどの程度優れているか？

主な発見

• 3年間の深宇宙ミッション中、二重ヘリカル磁気シールド構成は、遮蔽なし状態と比較して、被害臓器への効用線量を最大70％まで低減した。
• このシールドは、人体組織に最も深刻なダメージを与える高LET（線形エネルギー移動）粒子のフラックスを顕著に低減した。
• 宇宙船構造材内での二次粒子生成は、臓器への線量に顕著な寄与を示したが、能動的シールドは、粒子が相互作用する前に主粒子を偏折させることで、この寄与を低減した。
• 磁場の幾何学的配置は、荷電粒子を効果的にチャネル化・偏折させ、クルー・モジュールへの浸透を最小限に抑えた。
• シミュレーション結果から、シールドは広範な粒子エネルギーおよび入射角範囲で高い性能を維持していることが示された。
• 欧州宇宙機関（ESA）の長期的人間探査戦略に整合する、技術研究開発ロードマップが提案された。