1972年8月，阿波羅16號與17號任務的間隙期間，一場強烈的太陽風暴爆發，其噴射出的質子流足以提升宇航員的患癌風險，甚至引發急性放射病。地球的大氣層和磁場能夠吸收這類輻射，但前往月球或火星的宇航員將失去這層天然防護，而現有太空飛行器的隱藏能力也遠不足以抵禦此類威脅。
以色列裔美國初創公司StemRad專注於輻射防護個人裝備的研發，其聯合創始人喬丹·侯里與奧倫·米爾斯坦帶領團隊提出了一種新思路：與其加固飛船，不如直接保護宇航員本身。
為驗證這一理念，StemRad團隊將一款名為AstroRad
的可穿戴輻射防護背心搭載於NASA無人駕駛的阿爾忒彌斯一號任務，隨飛船完成繞月往返飛行，並利用飛行數據模擬背心在真實太陽風暴中的防護表現。結果顯示，該背心的防護效果與獵戶座飛船上專為躲避風暴設計的重型隱藏庇護艙相當。
數十年來，太空飛行器設計師們一直在權衡各種隱藏方案，包括鋁製船體、注水牆體以及可偏轉帶電粒子的超導磁體。然而，所有方案都面臨同一道難題。"關鍵在於如何以最高效的方式利用質量，"米爾斯坦說，"質量才是真正的瓶頸——每一克都至關重要。"
可穿戴式防護服的構想既合情合理，又看似荒謬。荒謬之處在於，長期以來人們普遍認為，防護服要想提供有效保護，就必須像全身板甲一樣厚重，且勢必需要鉛或其他高密度材料，不僅大幅增加重量，還會嚴重妨礙宇航員活動。
然而，StemRad的工程師們發現，"穿成中世紀騎士"並不能帶來多大益處。米爾斯坦解釋說，人體對輻射的敏感程度並不均一："骨髓等組織對輻射的敏感度遠高於大腦。"基於這一認識，StemRad為核應急人員開發了一款護髖帶，專門保護骨盆區域——這裡集中了人體約一半的骨髓，而骨髓正是負責生成血細胞的關鍵組織。即便只保護部分骨髓，人體也能依靠其再生能力從高劑量輻射暴露中存活下來。
隨後，StemRad與洛克希德·馬丁公司合作，將這一理念擴展為一款女性專用背心，在護髖基礎上，還覆蓋了胸部、腹部、結腸和生殖器官。這些部位受輻射後雖不會立即危及生命，但存在長期致癌風險。
"這依然讓很多人感到困惑，"米爾斯坦說，"大家都會問：頭部怎麼辦？但事實上，即便不保護頭部、手臂甚至雙腿，我們依然能將有效輻射劑量降低60%。"然而，確定防護部位只是問題的一部分，如何選材、如何設計出不妨礙宇航員活動的結構，同樣是一大挑戰。
"隱藏材料效能的首要決定因素是其原子序數與原子質量之比，"侯里說。氫沒有中子，其比值約為其他所有元素的兩倍，這也是水常被視為優良空間輻射隱藏材料的原因。高密度聚乙烯（HDPE）是一種普通塑料，其單位質量氫含量甚至高於水，且與水不同，它是固態材料，無需擔心泄漏問題。
然而，HDPE質地較硬，達到有效防護厚度後會影響穿戴舒適性。為解決這一問題，StemRad團隊將其分割成不同長度和截面的六稜柱狀小棒。"我們將隱藏板拆分成數千根由HDPE製成的六邊形鑲嵌棒，"侯里說。這些小棒夾於兩層彈性織物之間，使背心具有極高的柔韌性，"其形變方式幾乎與液態水相同，同時又保持固態。"
這些棒狀單元長度從9毫米到60毫米不等，工程師們藉助貝特-布洛赫公式計算其長度——該公式描述了帶電粒子在穿越物質時的能量損耗規律，由此可精確預測特定能量的粒子在隱藏材料中的穿透深度。
當然，再精確的計算也代替不了真實數據。為此，StemRad將AstroRad背心送上了繞月往返之旅。
由於阿爾忒彌斯一號為無人任務，背心需要替代物來"穿戴"。任務搭載了兩具完全相同的人體模型，暱稱分別為"赫爾加"與"左哈爾"，它們改編自放射治療劑量學中已廣泛使用的仿真體模，由與人體組織等效的材料製成。"它們與輻射的相互作用方式幾乎與真實人體組織完全相同，"侯里解釋道。其中，左哈爾穿戴了背心，赫爾加則沒有任何防護。兩具模型內均密布數千個劑量計，用於分段記錄飛行各階段的輻射劑量，而非僅累計總量。
不過，這些探測器所記錄的大部分輻射，來自飛船穿越地球內范艾倫輻射帶時的照射——那裡匯聚著大量高能捕獲質子。阿爾忒彌斯一號飛行期間並未遭遇太陽風暴。"如果當時真的發生了太陽粒子事件，分析就會簡單得多——直接用那些數據就行了，"侯里說。由於輻射帶的質子能量範圍與典型太陽風暴大致重疊，團隊以此作為替代數據，建立了包含飛船、人體模型及背心在內的蒙特卡洛模擬模型，並與劑量計實測數據進行比對。模型輸出結果與每個劑量計的實際測量值誤差均在5%以內。
在確立這一可信度後，團隊將輻射帶的能譜替換為1972年8月和1989年10月兩場歷史性太陽風暴的能譜，並讓模擬人體模型自由旋轉，而非固定朝向前方——畢竟真實宇航員不會在整個事件期間保持靜止坐姿。結果顯示，背心對1972年風暴類型的事件可將有效輻射劑量降低約60%，而對1989年類型的風暴則約為40%。
"1989年的風暴能量更強，能譜更硬，高能粒子成分更高，屬於更接近最壞情況的場景；而1972年的風暴更接近典型的大型事件，"侯里解釋道。太陽風暴的粒子通量通常以低能質子為主，高能質子的數量呈指數級遞減，這也是背心表現出上述差異的原因。"大部分輻射集中在低能段，用適量材料就能有效隱藏，"侯里補充說。
從任務規劃的角度換算，宇航員在一次重大太陽風暴期間穿戴該背心，可將職業生涯延長約40至193天（以NASA 600毫西弗的終身輻射劑量上限為基準）。這與獵戶座飛船專用風暴庇護艙的防護效果相當，但有一個關鍵區別：庇護艙會嚴重限制宇航員的行動自由。"穿上背心，宇航員在享受同等防護的同時，仍可在艙內自由行動。我們將其視為對風暴庇護艙的補充性防護手段，"侯里說。
然而，AstroRad背心對銀河宇宙射線（GCR）幾乎毫無防護效果——這是宇航員面臨的另一大輻射威脅。與太陽風暴輻射不同，GCR以更高的能量持續不斷地襲來，防護難度更大。"用背心來抵禦這類射線並不現實，"侯里說，"那意味著必須時刻穿戴。"
此外，AstroRad背心未來的改進空間也相當有限，目前對其防護效果的評估仍主要依賴電腦模型。
StemRad團隊所使用的電腦模型存在一定的不確定性，包括對獵戶座飛船船體採用了簡化的雙材料替代模型，以及對范艾倫輻射帶能譜採用了統計預測而非直接實測數據。
要獲取背心防護效果的真實數據，就需要將其搭載獵戶座飛船前往深空，並等待太陽風暴發生，而這在實踐中幾乎不可行。
團隊表示，目前設計面臨的更大制約是重量問題。阿爾忒彌斯一號飛行版本的背心重達26公斤，大約相當於一套中世紀全身板甲的重量。"在不增加質量的情況下提升防護性能，是非常困難的，"米爾斯坦說。因此，團隊決定轉換思路，向相反的方向努力。
StemRad工程師的近期目標不再是提升防護性能，而是在維持現有防護水平的前提下儘可能減輕重量。利用阿爾忒彌斯一號的飛行數據，他們已成功將背心重量從26公斤降至16公斤。"這次減重並未造成大幅度的防護性能損失，"米爾斯坦表示。他說，最終目標是製造出一款更輕的背心，讓宇航員不僅在風暴峰值期間，甚至在風暴前後數天都能持續穿戴。
相關研究已發表於《科學進展》期刊，DOI：http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.adz1892
Q&A
Q1：AstroRad防輻射背心是用什麼材料做的，為什麼能防輻射？
A：AstroRad背心的核心隱藏材料是高密度聚乙烯（HDPE），這種普通塑料的單位質量氫含量高於水，而氫的原子序數與原子質量之比約為其他元素的兩倍，因此隱藏效果極佳。為兼顧防護與靈活性，工程師將HDPE切割成數千根長度9至60毫米的六邊形小棒，夾於彈性織物之間，使背心既能有效隱藏輻射，又能像液體一樣靈活彎曲，不妨礙宇航員活動。
Q2：AstroRad背心在阿爾忒彌斯一號任務中是怎麼測試的？
A：由於阿爾忒彌斯一號是無人任務，團隊使用了兩具由組織等效材料製成的人體模型"赫爾加"與"左哈爾"來穿戴背心。兩具模型內均安裝有數千個劑量計，分段記錄飛行各階段的輻射劑量。由於飛行期間未發生太陽風暴，團隊以飛船穿越范艾倫輻射帶的數據作為替代，構建蒙特卡洛模擬模型，並與劑量計實測值進行比對，誤差在5%以內，隨後再模擬歷史太陽風暴場景評估背心性能。
Q3：AstroRad背心現在重多少，未來會怎麼改進？
A：阿爾忒彌斯一號飛行版本的AstroRad背心重達26公斤，相當於一套中世紀全身板甲的重量。利用飛行數據，StemRad團隊已將其減至16公斤，且防護性能未出現大幅下降。未來的改進方向不是提升防護等級，而是繼續減輕重量，目標是讓宇航員能夠在太陽風暴前後數天內長期穿戴，而不僅限於風暴峰值期間。
