火星任務新希望？意大利同德國科學家成功以磁鐵陣列偏轉太陽輻射

解決深空旅行隱形殺手：拆解最新太空船永久磁鐵防護系統原理

當人類探索宇宙嘅步伐邁向更遠嘅深空，甚至準備登陸火星之際，太空船設計面臨一個極大嘅難題：太空輻射。上星期日（7月26日），一個由意大利（Italy）同德國（Germany）科學家組成嘅研究團隊發表咗一項突破性研究，展示咗永久磁鐵喺保護太空人免受宇宙輻射傷害方面，可能扮演住非常關鍵嘅角色。呢項研究對於未來嘅深空探測任務，提供咗一個全新嘅思考方向。

意大利同德國團隊嘅聯合實驗

根據美國太空總署（NASA）及相關研究機構嘅資料顯示，銀河宇宙射線（Galactic cosmic rays）同埋太陽耀斑（Solar flares）係深空任務入面最常見、亦係最危險嘅輻射來源。為咗應對呢個問題，歐洲團隊進行咗一項大規模實驗。佢哋將1,482塊釹鐵硼永久磁鐵（Neodymium-iron-boron permanent magnets）組裝成一個陣列。每塊磁鐵嘅面積大約係1.6平方英吋，整個陣列總面積達到11平方英呎，總重量大約係661磅。

實驗結果顯示，呢個磁鐵陣列成功偏轉咗大約20%、能量介乎0.1至10百萬電子伏特（Megaelectronvolts，簡稱MeV）嘅太陽粒子。雖然實驗證明呢個方案能夠有效偏轉低能量粒子，但面對高能粒子嗰陣，高能粒子依然可以穿透磁鐵陣列嘅防護。因此，科學家指出，雖然單靠永久磁鐵唔能夠完全阻擋所有高能輻射，但呢項技術絕對可以成為未來混合式輻射防護系統（Hybrid protection system）嘅重要組成部分。

傳統超導磁鐵方案點解行唔通？

其實，呢次並唔係科學界第一次嘗試利用磁力來抵禦太空輻射。過去一直有研究探討使用超導磁鐵（Superconducting magnets）喺太空船周圍建立一個高達1特斯拉（Tesla）嘅強大磁場。

不過，超導磁鐵方案喺實際應用上遇到好大嘅阻礙。首先，超導磁鐵需要極低溫冷卻系統（Cryogenic cooling）去維持運作，同時亦需要一個絕對唔會出現故障、能夠持續供電嘅電源系統。考慮到太空船嘅載重限制極為嚴格，加上喺太空中一旦遇到電力中斷，整個防護系統就會即時失效，所以將呢啲複雜嘅設備帶上太空船係一件極度困難嘅事。相比之下，永久磁鐵唔需要外部電源同冷卻系統，可靠性大大提高。

超導磁鐵與永久磁鐵於太空應用嘅比較

物理學原理：洛倫茲力點樣改變粒子軌跡？

究竟磁鐵係點樣偏轉輻射呢？太空輻射主要由高速移動嘅質子（Protons）組成。呢次實驗中用到嘅永久磁鐵，其運作原理建基於物理學上嘅洛倫茲力（Lorentz force）。

洛倫茲力係指磁場同移動電荷之間產生嘅作用力。當帶電粒子穿過磁場嗰陣，洛倫茲力會喺垂直於磁場同粒子運動軌跡嘅方向上對粒子施加力量。呢一股力量會改變帶電粒子嘅飛行路徑，將佢哋推離原本嘅軌跡，從而令到粒子無法直接擊中需要受保護嘅太空人或者設備。

太空輻射有幾危險？了解深空任務嘅隱形殺手

點解深空旅行中嘅輻射問題會受到咁大關注？當太空人離開地球執行深空任務時，首先要穿越被稱為范艾倫輻射帶（Van Allen belts）嘅高輻射區域。呢個輻射帶係由地球磁場捕獲嘅高能粒子所組成嘅兩個巨大環狀帶。即使成功穿越，太空人喺旅程中依然會暴露喺銀河宇宙射線同太陽耀斑嘅威脅之下。此外，月球表面亦具備高度放射性，其輻射水平大約係國際太空站（International Space Station，簡稱ISS）嘅兩至三倍。

深空輻射對人體健康嘅破壞力不容忽視。有別於地球上常見嘅X光照射，宇宙射線中嘅高能粒子具有極強嘅穿透力，能夠直接打斷人體細胞內嘅DNA雙螺旋結構。若果細胞無法正確修復呢啲損傷，就會大幅增加太空人罹患癌症嘅風險。此外，長期暴露喺高輻射環境下，亦會損害中樞神經系統，影響大腦嘅認知功能同記憶力。對於動輒需要耗時數年嘅火星探測任務來講，如果未能妥善控制輻射暴露劑量，太空人嘅身體狀況可能喺抵達目的地之前已經受到嚴重損害。

歷史教訓：太陽神計畫嘅幸運與阿提密斯任務嘅隱憂

為咗更加具體咁理解呢個輻射量，我哋可以參考歷史數據。喺太陽神14號（Apollo 14）任務期間，太空人所承受嘅輻射量大約係1.14拉德（rad）。呢個數值大約等同於做兩次腹部電腦掃描（CT scan）嘅輻射劑量。雖然呢種程度嘅暴露未至於即時對生命構成嚴重威脅，但核心問題係，人類至今執行過嘅深空載人任務數量有限，而且喺過去嘅任務入面，剛好都冇遇上大規模嘅太陽粒子事件（Solar particle events）。

歷史上曾經出現過一次極度危險嘅「擦身而過」。喺1972年，即係太陽神16號同17號任務之間嘅空檔期，科學家記錄到一次極為強烈嘅太陽爆發事件。事後美國太空總署指出，如果當時剛好有太空人處於深空或者喺月球表面執行任務，佢哋將會承受致命嘅輻射劑量。呢個歷史事件清楚顯示出，深空任務必須具備可靠嘅輻射防護機制。

回到現代，針對即將進行嘅阿提密斯2號（Artemis II）任務，如果喺深空航行期間突然爆發太陽耀斑，太空人目前唯一嘅防護方法，就係利用太空船艙內嘅貨物同補給品，喺自己周圍搭建一個臨時嘅「堡壘」，然後匿喺入面直到輻射危險期過去。呢種相對原始嘅應對方式，突顯咗太空船外殼缺乏內置輻射防護嘅嚴重性。

全球航天機構面臨嘅共同難題與發射成本考量

無論係美國太空總署嘅阿提密斯計畫，定係中國國家航天局（CNSA）等機構計劃建立嘅月球及深空科研項目，甚至係其他華人地區如香港、台灣及新加坡等地學術界參與嘅各項國際太空科研項目，解決太空輻射問題都係所有航天機構共同面對嘅巨大挑戰。

要將一公斤嘅物資送上太空，背後涉及嘅發射成本極其高昂。傳統上，利用鉛（Lead）或者厚重嘅金屬裝甲去阻擋輻射雖然有效，但喺航天工程入面完全唔切實際，因為過重嘅太空船需要消耗不成比例嘅龐大燃料先可以脫離地球引力。呢次實驗中用到嘅661磅磁鐵陣列，對於現代火箭嘅運載能力來講已經係一個唔細嘅負擔。如果將來要將磁鐵覆蓋整艘太空船，工程師必須喺磁鐵嘅重量、防護效能，同火箭嘅總發射成本之間取得精確嘅平衡。呢一點亦係點解歐洲團隊提倡「混合式防護系統」嘅原因，利用磁力偏轉部分粒子，再配合輕量化嘅吸輻射材料，以最輕嘅重量達到最大嘅保護效果。

距離實際應用仲有幾遠？技術挑戰與未來方向

雖然利用永久磁鐵嘅方案喺受控嘅實驗室環境下表現良好，但要將呢項技術真正應用喺太空船上，工程團隊依然面臨大量挑戰。

首先，深空中嘅宇宙射線並唔係由單一方向照射過來，而係來自四方八面。因此，為咗達到全面保護，磁鐵陣列必須覆蓋太空船嘅整個外殼，或者至少係絕大部分面積。呢個要求會衍生出太空船總重量急劇增加嘅問題。

其次，科學家亦必須考慮粒子偏轉嘅方向性問題。如果偏轉嘅角度設計得唔夠好，粒子可能會被推向太空船嘅其他脆弱部位。另一個更深層次嘅挑戰係，當高能質子直接撞擊磁鐵或者太空船外殼嘅金屬材料時，會產生所謂嘅「二次輻射」（Secondary radiation）。呢啲由於撞擊而產生嘅次級粒子，有時甚至比原本嘅射線更具穿透力同破壞力。因此，防護系統唔可以單靠一層磁鐵，必須配合其他吸收材料，組成多層嘅複合防護結構。

總結

總括來講，人類若果要安全咁探索火星以及更遙遠嘅星際空間，解決輻射防護問題係不可迴避嘅一步。目前全球各大太空飛行機構喺太空船外殼設計上，對於內置輻射防禦嘅投入依然有待加強。今次歐洲團隊嘅永久磁鐵研究，成功打破咗自太陽神時代以來一直存在嘅可行性界線。雖然距離完美嘅防護系統仲有一段漫長嘅研發路程，但呢項突破性進展，無疑為未來嘅太空船工程指明咗一個值得深入探討嘅技術方向。