在A洞穴实现的GCR模拟器实验装置照片。图：Life Sciences in Space Research
宇宙射线是太空旅行面临的最大挑战之一，对人类与材料构成重大风险。
首次在欧洲土壤上，国际研究团队与欧洲航天局（ESA）合作，在德国达姆施塔特的 GSI/FAIR 加速器设施成功提供了银河系宇宙射线模拟器。研究成果已在《Space Research Life Sciences》期刊上发表两篇文章。
银河宇宙射线为何重要地球磁层之外，宇航员与航天器暴露于宇宙辐射之中。除了太阳粒子之外，银河宇宙射线（GCRs）是主要成分。它们是来自太阳系外的高能粒子，例如来自银河系内的超新星或其他爆炸事件。GCR 主要由质子与氦核组成，但也包含其它高电荷、高能量粒子（HZE），这些粒子对宇航员的辐射暴露贡献显著。
估算显示，在太空中，宇航员体内的每个细胞每隔数天会被一个质子穿过，每隔数周被一个氦核穿过，每隔数月则会被 HZE 粒子穿过。再者，当粒子穿过航天器的防护层时，还会产生中子与碎片。这在前往月球或火星的长期任务中尤为棘手，因为此类任务的辐射暴露水平将显著高于低地球轨道。
因此，GCR 是宇航员长期健康风险中最重要的因素，可导致癌症、细胞退化效应或中枢神经系统疾病。它们还威胁航天器中的电子系统。理解并减缓这些风险是实现安全且可持续人类太空存在的关键。关于 GCR 的研究只能在太空直接进行，或借助 GSI/FAIR 之类的高能重离子加速器。
调 ESC 模拟器——GCR 模拟器基于混合式、主动‑被动方法GCR 模拟器采用的是一种混合式的主动‑被动方法：在铁离子初级束入射前，主动改变其能量，再让束流击中被动束模调器——这是一种已被粒子治疗证明可靠的技术。
构建逼真的 GCR 模拟器“截至目前，欧洲尚无可靠方法可模拟 GCR，”达姆施塔特工科大学（TU Darmstadt）马克·杜尔特（Marco Durante）教授、GSI/FAIR 生物物理研究部门负责人解释道。“这就是我们研究团队在 ESA 合作伙伴的支持下，开发 GCR 模拟器并在 FAIR Phase 0 实验计划中投放 GSI/FAIR 的原因。此举使研究人员能够更好地了解影响技术组件与人类组织的剂量，以及如何以有针对性的方式控制或限制这些效应。”
为此，Space Radiation Physics 组的研究人员由 Biophysics 部门的 Christoph Schuy 博士领导，利用 GSI 独有的加速器，该加速器可提供所有天然存在于地球上的高能离子束。GCR 模拟器基于混合式主动‑被动方法：在铁离子初级束击中被动束模调器前，主动调节其能量——这是粒子治疗中已知且被验证的技术。束模调器的几何、材料、成分与厚度经过优化，旨在创造与深空辐射环境相似的模拟。
“我们的结果与太空任务中已知值高度吻合。该技术可用于产生混合辐射场，复制轻度防护的航天居住环境中的 GCR 暴露。” Schuy 说，“正如我们所宣称，我们用这一成就把宇宙搬到实验室。”
未来与全球前景在 GSI 与 ESA 的支持下，达姆施塔特的 GCR 模拟器成为世界上第二个研究 GCR 的实验室—另外还有美国布鲁克海文国家实验室（Brookhaven National Laboratory）NASA 支持的模拟器。两者提供的束流最大能量均为每核子 1 吉电子伏特（GeV）。正在 GSI 以国际合作建设中的 FAIR（Facility for Antiproton and Ion Research）提供了更广阔的前景，能将能量提升至每核子 10 GeV，使达姆施塔特的 GCR 模拟器成为全球最精准的。
GSI/FAIR 与 ESA 多年来紧密合作，利用离子加速器研究宇宙射线的生物效应，并寻找保护宇航员的方法。已提供基于肿瘤治疗束模调器的太阳粒子事件（SPE）模拟器。两机构还共同举办年度“ESA-FAIR 太空辐射学校”，为学生提供重离子生物物理学的基本知识，适用于地面与太空应用。下一届学校将于 2026 年 8 月举行，注册将开放至 4 月 12 日。
勇编撰自论文"Hybrid active-passive galactic cosmic ray simulator: Experimental implementation and microdosimetric characterization".Life Sciences in Space Research.2026相关信息，文中配图若未特别标注出处，均来源于自绘或公开图库。