Защита от радиации на мкс. Космические лучи и радиация

КОСМИЧЕСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Существование космических лучей было обнаружено в начале ХХ века. В 1912 г. австралийский физик В. Гесс, поднимаясь на воздушном шаре, заметил, что разрядка электроскопа на больших высотах происходит значительно быстрее, чем на уровне моря. Стало ясным, что ионизация воздуха, которая снимала разряд с электроскопа, имеет внеземное происхождение. Первым высказал это предположение Милликен, и именно он дал этому явлению современное название – космическое излучение.

В настоящее время установлено, что первичное космическое излучение состоит из стабильных частиц высоких энергий, летящих в самых различных направлениях. Интенсивность космического излучения в районе Солнечной системы составляет в среднем 2-4 частицы на 1см2 за 1с.

Оно состоит из:

протонов – 91%

α-частиц – 6,6%

ядер других более тяжелых элементов – менее 1%

электронов – 1,5%

рентгеновских и гамма–лучей космического происхождения

солнечного излучения.

Первичные комические частицы, летящие из мирового пространства, взаимодействуют с ядрами атомов верхних слоев атмосферы и образуют так называемые вторичные космические лучи. Интенсивность космических лучей вблизи магнитных полюсов Земли приблизительно в 1,5 раза больше, чем на экваторе.

По современным представлениям главным источником космического излучения высоких энергий являются взрывы сверхновых звезд. По данным, полученным с помощью принадлежащего NASA орбитального рентгеновского телескопа, были получены новые доказательства того, что значительный объем космического излучения, постоянно бомбардирующего Землю, произведен ударной волной, распространяющейся после взрыва сверхновой звезды, который был зарегистрирован еще в 1572 году. Судя по наблюдениям рентгеновской обсерватории «Чандра», останки сверхновой звезды продолжают разбегаться со скоростью более 10 миллионов км/ч, производя две ударные волны, сопровождаемые массированным выделением рентгеновского излучения. Причем, одна волна движется наружу, в межзвездный газ, а вторая – внутрь, к центру бывшей звезды. Можно также утверждать, что значительная доля энергии «внутренней» ударной волны уходит на ускорение атомных ядер до скоростей, близких к световым.

Частицы высоких энергий приходят к нам из других Галактик. Таких энергий они могут достигнуть, ускоряясь в неоднородных магнитных полях Вселенной.

Естественно, что источником космического излучения является и ближайшая к нам звезда – Солнце. Солнце периодически (во время вспышек) испускает солнечные космические лучи, которые состоят в основном из протонов и α-частиц, имеющих небольшую энергию.

Ультрафиолетовое излучение (ультрафиолетовые лучи, УФ-излучение) - электромагнитное излучение, занимающее спектральный диапазон между видимым и рентгеновским излучениями. Длины волн УФ-излучения лежат в интервале от 10 до 400 нм (7,5·1014-3·1016 Гц). Термин происходит от лат. ultra - сверх, за пределами и фиолетовый. Основной источник ультрафиолетового излучения на Земле - Солнце.

Рентгеновское излучение - электромагнитные волны, энергия фотонов которых лежит на шкале электромагнитных волн между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением, что соответствует длинам волн от 10−2 до 102 Å (от 10−12 до 10−8 м).Энергетические диапазоны рентгеновского излучения и гамма-излучения перекрываются в широкой области энергий. Оба типа излучения являются электромагнитным излучением и при одинаковой энергии фотонов - эквивалентны. Терминологическое различие лежит в способе возникновения - рентгеновские лучи испускаются при участии электронов (либо в атомах, либо свободных) в то время как гамма-излучение испускается в процессах девозбуждения атомных ядер. Фотоны рентгеновского излучения имеют энергию от 100 эВ до 250 кэВ, что соответствует излучению с частотой от 3·1016 до 6·1019 Гц и длиной волны 0,005-10 нм (общепризнанного определения нижней границы диапазона рентгеновских лучей в шкале длин волн не существует). Мягкое рентгеновское излучение характеризуется наименьшей энергией фотона и частотой излучения (и наибольшей длиной волны), а жёсткое рентгеновское излучение обладает наибольшей энергией фотона и частотой излучения (и наименьшей длиной волны).

Реликтовое излучение (лат. relictum - остаток), космическое микроволновое фоновое излучение (от англ. cosmic microwave background radiation) - космическое электромагнитное излучение с высокой степенью изотропности и со спектром, характерным для абсолютно чёрного тела с температурой 2,72548 ± 0,00057 К.

Существование реликтового излучения было предсказано теоретически Г. Гамовым в рамках теории Большого взрыва. Хотя в настоящее время многие аспекты первоначальной теории Большого взрыва пересмотрены, основы, позволившие предсказать эффективную температуру реликтового излучения, остались неизменны. Реликтовое излучение сохранилось с начальных этапов существования Вселенной и равномерно её заполняет. Экспериментально его существование было подтверждено в 1965 году. Наряду с космологическим красным смещением, реликтовое излучение рассматривается как одно из главных подтверждений теории Большого взрыва.

Гамма-всплеск - масштабный космический выброс энергии взрывного характера, наблюдаемый в отдалённых галактиках в самой жёсткой части электромагнитного спектра. Гамма-всплески (ГВ) - наиболее яркие электромагнитные события, происходящие во Вселенной. Продолжительность типичного ГВ составляет несколько секунд, тем не менее он может длиться от миллисекунд до часа. За первоначальным всплеском обычно следует долгоживущее «послесвечение», излучаемое на более длинных волнах (рентген, УФ, оптика, ИК и радио).

Большинство наблюдаемых ГВ предположительно представляет собой сравнительно узкий луч мощного излучения, испускаемого во время вспышки сверхновой, когда быстро вращающаяся массивная звезда коллапсирует, превращаясь либо в нейтронную звезду, либо в кварковую звезду, либо в чёрную дыру. Подкласс ГВ - «короткие» всплески - по-видимому происходят от другого процесса, возможно, при слиянии двойных нейтронных звёзд.

Источники ГВ находятся на расстояниях в миллиарды световых лет от Земли, что означает их чрезвычайную мощность и редкость. За несколько секунд вспышки высвобождается столько энергии, сколько Солнцем выделяется за 10 миллиардов лет. За миллион лет в одной галактике обнаруживаются лишь несколько ГВ. Все наблюдаемые ГВ происходят за пределами галактики Млечный путь, кроме явления родственного класса, мягких повторяющихся гамма-всплесков, которые ассоциируются с магнетарами Млечного пути. Имеется предположение, что ГВ, произошедший в нашей галактике, мог бы привести к массовому вымиранию всего живого на Земле.

ГВ впервые был случайно зарегистрирован 2 июля 1967 года американскими военными спутниками «Vela».

Чтобы объяснить процессы, которые могут порождать ГВ, были построены сотни теоретических моделей, таких как столкновения между кометами и нейтронными звёздами. Но данных для подтверждения предложенных моделей было недостаточно, пока в 1997 не зарегистрировали первое рентгеновское и оптическое послесвечения, и определили их красное смещение прямым измерением с помощью оптического спектроскопа. Эти открытия и последующие исследования галактик и сверхновых, ассоциированных с ГВ, помогли оценить яркость и расстояния до ГВ, окончательно разместив их в отдалённых галактиках и связав ГВ со смертью массивных звёзд. Тем не менее процесс исследования ГВ ещё далеко не закончен и остаётся одной из самых больших загадок астрофизики. Неполной является даже наблюдательная классификация ГВ на длинные и короткие.

ГВ регистрируются приблизительно раз в день. Как было установлено в советском эксперименте «Конус», который осуществлялся под руководством Е. П. Мазеца на космических аппаратах «Венера-11», «Венера-12» и «Прогноз» в 1970-е годы, ГВ с равной вероятностью приходят с любого направления, что, вместе с экспериментально построенной зависимостью Log N - Log S (N - количество ГВ, дающих около Земли поток гамма-излучения больший или равный S), говорило о том, что ГВ имеют космологическую природу (точнее, связаны не с Галактикой или не только с ней, но происходят во всей Вселенной, причём мы их видим из удалённых участков Вселенной). Направление на источник оценивалось с помощью метода триангуляции.

Одним из основных негативных биологических факторов космического пространства, наряду с невесомостью, является радиация. Но если ситуация с невесомостью на различных телах Солнечной системы (например, на Луне или Марсе) будет лучше, чем на МКС, то с радиацией дела обстоят сложнее.

По своему происхождению космическое излучение бывает двух типов. Оно состоит из галактических космических лучей (ГКЛ) и тяжелых положительно заряженных протонов, исходящих от Солнца. Эти два типа излучения взаимодействуют друг с другом. В период солнечной активности интенсивность галактических лучей уменьшается, и наоборот. Наша планета защищена от солнечного ветра магнитным полем. Несмотря на это, часть заряженных частиц достигает атмосферы. В результате возникает явление, известное как полярное сияние. Высокоэнергетические ГКЛ почти не задерживаются магнитосферой, однако они не достигают поверхности Земли в опасном количестве благодаря ее плотной атмосфере. Орбита МКС находится выше плотных слоев атмосферы, однако внутри радиационных поясов Земли. Из-за этого уровень космического облучения на станции намного выше, чем на Земле, но существенно ниже, чем в открытом космосе. По своим защитным свойствам атмосфера Земли приблизительно эквивалентна 80-сантиметровому слою свинца.

Единственным достоверным источником данных о дозе излучения, которую можно получить во время длительного космического перелета и на поверхности Марса, является прибор RAD на исследовательской станции Mars Science Laboratory, более известной как Curiosity. Чтобы понять, насколько точны собранные им данные, давайте для начала рассмотрим МКС.

В сентябре 2013 года в журнале Science была опубликована статья, посвященная результатам работы инструмента RAD. На сравнительном графике, построенном Лабораторией реактивного движения НАСА (организация не связана с экспериментами, проводимыми на МКС, но работает с инструментом RAD марсохода Curiosity), указано, что за полгода пребывания на околоземной космической станции человек получает дозу излучения, примерно равную 80 мЗв (миллизиверт). А вот в издании Оксфордского университета от 2006 года (ISBN 978-0-19-513725-5) говорится, что в сутки космонавт на МКС получает в среднем 1 мЗв, т. е. полугодовая доза должна составить 180 мЗв. В результате мы видим огромный разброс в оценке уровня облучения на давно изученной низкой орбите Земли.

Основные солнечные циклы имеют период 11 лет, и, поскольку ГКЛ и солнечный ветер взаимосвязаны, для статистически надежных наблюдений нужно изучить данные о радиации на разных участках солнечного цикла. К сожалению, как говорилось выше, все имеющиеся у нас данные о радиации в открытом космосе были собраны за первые восемь месяцев 2012 года аппаратом MSL на его пути к Марсу. Информация о радиации на поверхности планеты накоплена им же за последующие годы. Это не значит, что данные неверны. Просто нужно понимать, что они могут отражать лишь характеристики ограниченного периода времени.

Последние данные инструмента RAD были опубликованы в 2014 году. Как сообщают ученые из Лаборатории реактивного движения НАСА, за полгода пребывания на поверхности Марса человек получит среднюю дозу излучения около 120 мЗв. Эта цифра находится посередине между нижней и верхней оценками дозы облучения на МКС. За время перелета к Марсу, если он также займет полгода, доза облучения составит 350 мЗв, т. е. в 2-4,5 раза больше, чем на МКС. За время полета MSL пережил пять вспышек на Солнце умеренной мощности. Мы не знаем наверняка, какую дозу облучения получат космонавты на Луне, поскольку во времена программы «Аполлон» не проводились эксперименты, изучавшие отдельно космическую радиацию. Ее эффекты изучались лишь совместно с эффектами других негативных явлений, таких как влияние лунной пыли. Тем не менее, можно предположить, что доза будет выше, чем на Марсе, поскольку Луна не защищена даже слабой атмосферой, но ниже, чем в открытом космосе, т. к. человек на Луне будет облучаться только «сверху» и «с боков», но не из-под ног./

В заключение можно отметить, что радиация – это та проблема, которая обязательно потребует решения в случае колонизации Солнечной системы. Однако широко распространенное мнение, что радиационная обстановка за пределами магнитосферы Земли не позволяет совершать длительные космические полеты, просто не соответствует действительности. Для полета к Марсу придется установить защитное покрытие либо на весь жилой модуль космического перелетного комплекса, либо на отдельный особо защищенный «штормовой» отсек, в котором космонавты смогут пережидать протонные ливни. Это не значит, что разработчикам придется использовать сложные антирадиационные системы. Для существенного снижения уровня облучения достаточно теплоизоляционного покрытия, которое применяют на спускаемых аппаратах космических кораблей для защиты от перегрева при торможении в атмосфере Земли.

Текст, представленный ниже, нужно расценивать как личное мнение автора. Никакой секретной информацией (или доступом к ней) он не обладает. Всё, что изложено - это факты из открытых источников плюс немного здравого смысла («диванной аналитики», если угодно).

Научная фантастика - все эти бластеры и «пиу-пиу» в открытом космосе на крошечных одноместных истребителях - приучила человечество серьезно переоценивать доброжелательность Вселенной по отношению к теплым белковым организмам. Особенно сильно это проявляется, когда фантасты описывают путешествия к другим планетам. Увы, освоение «настоящего космоса» вместо привычных нам нескольких сотен «камэ» под защитой магнитного поля Земли будет более трудным предприятием, чем представлялось обывателю всего десятилетие назад.

Итак, вот мой главный тезис. Психологический климат и конфликты внутри экипажа далеко не главные проблемы, с которыми столкнется человек при организации пилотируемых полетов на Марс.

Главная проблема человека, путешествующего за пределы магнитосферы Земли - проблема с большой буквы «Р».

Что такое космическая радиация и почему мы не гибнем от нее на Земле

Ионизирующее излучение в космосе (за пределами нескольких сотен километров околоземельного пространства, которые человек действительно освоил) состоит из двух частей.

Излучение Солнца. Это, прежде всего, «солнечный ветер» - поток частиц, который постоянно «дует» во все стороны от светила и который чрезвычайно хорош для будущих космических парусников, потому что позволит им как следует разогнаться для путешествий за пределы Солнечной системы. Вот только для живых существ основная часть этого ветра не особо полезна. Замечательно, что нас от жесткой радиации защищают толстый слой атмосферы, ионосфера (та, где озоновые дыры), а еще мощное магнитное поле Земли.

Помимо ветра, который разлетается более-менее равномерно, наше светило еще периодически постреливает так называемыми солнечными вспышками. Последние представляют собой выбросы коронарного вещества Солнца. Они настолько серьезны, что время от времени приводят к проблемам у людей и техники даже на Земле, где самое веселье, повторюсь, недурственно экранируется.

Итак, у нас есть атмосфера и магнитное поле планеты. В уже довольно близком космосе, на расстоянии десятка-другого тысяч километров от Земли, солнечная вспышка (даже слабая, всего-то пара Хиросим), попав в корабль, гарантированно выведет его живую начинку из строя без малейших шансов на выживание. Помешать этому сегодня - при текущем уровне развития технологий и материалов - нам абсолютно нечем. По этой и только по этой причине многомесячное путешествие к Марсу человечеству придется отложить до времени, когда мы не решим эту проблему хотя бы частично. Также его придётся планировать в периоды наиболее спокойного солнца и много молиться всем техническим богам.

Космические лучи. Эти вездесущие злодейские штуки несут огромное количество энергии (больше, чем способен закачать в частицу БАК). Они приходят из других частей нашей галактики. Попадая в щит земной атмосферы, такой луч взаимодействует с ее атомами и расшибается на десятки менее энергичных частиц, которые каскадно порождают потоки еще менее энергичных (но тоже опасных) и в итоге все это великолепие проливается радиационным дождём на поверхность планеты. Примерно 15% от фонового излучения на Земле приходится на гостей из космоса. Чем выше ты живешь над уровнем моря, тем выше ловимая в течении жизни доза. И происходит это круглосуточно.

В качестве школьного упражнения попробуйте представить, что произойдёт с космическим кораблём и его «живой начинкой» в случае прямого попадании в них такого луча где-нибудь в открытом космосе. Лететь к Марсу, напомню, предстоит несколько месяцев, кораблик для этого предстоит строить здоровенный и вероятность описанного выше «контакта» (а то и не одного) достаточно велика. Просто пренебречь ею при длительных полетах с живым экипажем, увы, никак не получится.

Что ещё?

Помимо той радиации, что долетает до Земли от Солнца, есть ещё та солнечная радиация, которую магнитосфера планеты отталкивает, не пропускает внутрь и самое главное - накапливает*. Знакомьтесь, читатели. Это радиационный пояс Земли (РПЗ). Он же пояс Ван Аллена, как его называют за рубежом. Преодолеть его космонавтам предстоит что называется «на полных парах», чтобы не получить летальную дозу радиации всего за несколько часов. Повторный контакт с этим поясом - если мы вопреки здравому смыслу решим вернуть астронавтов с Марса на Землю - запросто может их добить.

*Значительная доля частиц пояса Ван Аллена приобретает опасную скорость уже в самом поясе. То есть он не только защищает нас от радиации извне, но еще и усиливает эту накопленную радиацию.

До сих пор речь шла об открытом космосе. Но не нужно забывать о том, что у Марса (в отличие от Земли) почти нет магнитного поля**, а атмосфера разрежённая и дохленькая, так что подвергаться воздействию этих негативных факторов люди будут не только в полёте.

**Ладно, немножко есть - в районе южного полюса.

Отсюда вывод. Жить будущим колонистам вероятнее всего предстоит не на поверхности планеты (как нам показывали в эпичном кино «Миссия на Марс»), а глубоко под ней.

Как быть?

Прежде всего, видимо, не питать иллюзий на скорое (в течение десятка-другого-третьего лет) разрешение всех этих проблем. Чтобы избежать гибели экипажа от лучевой болезни, нам придётся или вообще его туда не посылать и осваивать космос с помощью умных машин (кстати, не самое глупое решение), либо очень здорово поднапрячься, потому что, если я прав, то отправка людей на Марс с созданием там постоянной колонии - задача для одной страны (хоть США, хоть России, хоть Китая) в ближайшие полстолетия, а то и дольше совершенно неподъёмная. Один корабль для такой миссии обойдется в сумму, эквивалентную постройке и полному обслуживанию пары-тройки МКС (см. ниже).

И да, забыл сказать: пионеры Марса будут заведомо «смертниками», поскольку ни обратной дороги, ни долгой и комфортной жизни на Марсе обеспечить им в ближайшие полвека у нас, скорее всего, получится.

Как теоретически могла бы выглядеть миссия на Марс, имей мы для этого все ресурсы и технологии старушки-Земли? Сравните описанное ниже с тем, что вы видели в культовом фильме «Марсианин».

Миссия на Марс. Условно реалистичная версия

Во-первых, человечеству предстоит сильно напрячься и построить циклопических размеров космический корабль с мощной антирадиационной защитой, который сможет частично компенсировать адскую лучевую нагрузку на экипаж за пределами магнитного поля Земли и обеспечить доставку более-менее живых колонистов на Марс - в один конец.

Как может выглядеть такой корабль?

Это здоровенная махина в десятки (а лучше сотни) метров в поперечнике, обеспеченная собственным магнитным полем (сверхпроводящие электромагниты) и источниками энергии для его поддержания (атомные реакторы). Огромные размеры конструкции позволяют набить её изнутри поглощающими радиацию материалами (например, это может быть вспененный освинцованный пластик или герметичные контейнеры с простой либо «тяжелой» водой), которые десятилетиями (!) предстоит возить на орбиту и монтировать вокруг сравнительно крошечной капсулы жизнеобеспечения, куда потом мы поместим астронавтов.

Помимо размеров и дороговизны, марсианский корабль должен быть чертовски надежным и, главное, полностью автономным в плане управления. Чтобы доставить экипаж живым безопаснее всего будет погрузить его в искусственную кому и немного охладить (всего на пару-тройку градусов), чтобы замедлить метаболические процессы. В таком состоянии люди а) будут менее чувствительны к радиации, б) занимают меньше места и их дешевле экранировать от все той же радиации.

Очевидно, помимо корабля, нужен искусственный интеллект, способный уверенно доставить корабль на орбиту Марса, выгрузить колонистов на его поверхность, не повредив в процессе ни себя, ни груз, а потом ещё без участия людей вернуть астронавтов в сознание (уже на Марсе). Пока таких технологий у нас нет, но есть некоторая надежда, что подобный ИИ, а главное политические и экономические ресурсы для постройки описанного корабля, появятся у нас, допустим, ближе к середине столетия.

Хорошей новостью является то, что марсианский «паром» для колонистов вполне может быть многоразовым. Ему предстоит как челноку курсировать между Землёй и конечным пунктом, доставляя в колонию партии «живого груза» на замену выбывших «от естественных причин» людей. Для доставки «неживого» груза (еды, воды, воздуха и техники) противолучевая защита особо не нужна, так что марсианским грузовиком суперкорабль делать не обязательно. Он нужен исключительно для доставки колонистов и, возможно, семян растений / молоди сельскохозяйственных животных.

Во-вторых, нужно заранее забросить на Марс технику и запасы воды-еды-кислорода на экипаж из 6-12 человек на 12-15 лет (с учётом всех форс-мажоров). Это само по себе нетривиальная задачка, но допустим, что в ресурсах для ее решения мы не ограничены. Предположим, что войны и политические пертурбации Земли утихли, а на марсианскую миссию работает в едином порыве вся планета.

Забрасываемая на Марс техника, как вы уже должны догадаться, представляет собой полностью автономных роботов с искусственным интеллектом и питанием от компактных ядерных реакторов. Им предстоит методично в течение десятка-полутора лет отрыть сначала глубокий тоннель под поверхность красной планеты. Затем - ещё за несколько лет - небольшую сеть тоннелей, в которую предстоит втащить блоки жизнеобеспечения и запасы для будущей экспедиции, а потом все это герметично смонтировать в автономный подмарсианский поселок.

Метроподобное обиталище кажется оптимальным решением по двум причинам. Во-первых, оно экранирует космонавтов от космических лучей уже на самом Марсе. Во-вторых, из-за остаточной «марсотермальной» активности недр под поверхностью планеты на градус-другой теплее, чем снаружи. Это пригодится колонистам как для экономии энергии, так и для выращивания картошки на собственных фекалиях.

Уточним важный момент: строить колонию придётся в южном полушарии, где на планете ещё сохранилось остаточное магнитное поле.

Выходить на поверхность астронавтам в идеале не придётся вообще (Марс «вживую» они или не увидят совсем, или увидят один раз - при посадке). Всю работу на поверхности предстоит делать роботам, действиями которых колонистам предстоит руководить из своего бункера всю их недолгую жизнь (лет двадцать при удачном стечении обстоятельств).

В-третьих, надо поговорить о самом экипаже и методах его подбора.

Идеальной схемой последнего станет поиск по всей Земле… генетически идентичных (монозиготных) близнецов, один из которых только что превратился в донора органов (например, «удачно» попав в автокатастрофу). Звучит до крайности цинично, но пусть это не помешает вам дочитать текст до конца.

Что нам дает близнец-донор?

Погибший близнец даёт возможность своему брату (или сестре) стать идеальным колонистом на Марсе. Дело в том, что красный костный мозг первого, будучи доставлен на красную планету в дополнительно защищённом от радиации контейнере, можно будет перелить близнецу-астронавту. Тем самым повышаются шансы на выживание оного при лучевой болезни, остром лейкозе и других неприятностях, которые с колонистом весьма вероятно приключатся за годы миссии.

Итак, как выглядит процедура отсева будущих колонистов?

Отбираем несколько миллионов близнецов. Ждём, пока что-то происходит с одним из них, и делаем предложение оставшемуся. Набирается пул из, скажем, ста тысяч потенциальных кандидатов. Теперь внутри этого пула проводим итоговый отбор на психологическую совместимость и профпригодность.

Естественно, для расширения выборки отбирать астронавтов придётся по всей Земле, а не в одной или двух странах.

Ещё бы, конечно, здорово помогла некая технология выявления особо устойчивых к облучению кандидатов. Известно, что некоторая часть людей гораздо более устойчива к радиации, чем другая. Наверняка её можно выявить с помощью неких генетических маркеров. Если дополнить этим методом идею с близнецами, вместе они должны существенно повысить выживаемость марсианских колонистов.

Помимо этого, полезно было бы научиться переливать людям костный мозг в невесомости. Это не единственная штука, которую предстоит изобрести специально под этот проект, но, по счастью, время у нас ещё есть, а МКС пока что болтается на орбите Земли будто специально для отработки подобных технологий.

PS. Я должен специально оговориться, что принципиальным противником космических путешествий я не являюсь и верю, что рано или поздно «космос будет наш». Вопрос только в цене этого успеха, а также во времени, которое человечество затратит на отработку необходимых технологий. Мне кажется, под влиянием научной фантастики и массовой культуры многие из нас довольно беспечны в смысле понимания трудностей, которые на этом пути предстоит преодолеть. Чтобы несколько отрезвить эту часть «космооптимистов » и написан этот текст.

Во и частях я расскажу какие еще варианты у нас имеются в вопросе освоения космоса человеками в долгосрочной перспективе.

Орбиту Международной космической станции несколько раз поднимали, и сейчас ее высота составляет более 400 км. Это делалось для того, чтобы увести летающую лабораторию от плотных слоев атмосферы, где молекулы газов еще довольно заметно тормозят полет и станция теряет высоту. Чтобы не корректировать орбиту слишком часто, хорошо бы поднять станцию еще выше, но делать этого нельзя. Примерно в 500 км от Земли начинается нижний (протонный) радиационный пояс. Длительный полет внутри любого из радиационных поясов (а их два) будет гибельным для экипажей.

Космонавт-ликвидатор

Тем не менее нельзя сказать, что на высоте, на которой сейчас летает МКС, проблемы радиационной безопасности нет. Во‑первых, в районе Южной Атлантики существует так называемая Бразильская, или Южно-Атлантическая, магнитная аномалия. Здесь магнитное поле Земли как бы провисает, а с ним ближе к поверхности оказывается нижний радиационный пояс. И МКС его все-таки касается, пролетая в этом районе.

Во-вторых, человеку в космосе угрожает галактическое излучение — несущийся со всех направлений и с огромной скоростью поток заряженных частиц, порожденных взрывами сверхновых или деятельностью пульсаров, квазаров и других аномальных звездных тел. Часть этих частиц задерживается магнитным полем Земли (что является одним из факторов формирования радиационных поясов), другая часть теряет энергию в столкновении с молекулами газов в атмосфере. Что-то долетает и до поверхности Земли, так что небольшой радиоактивный фон присутствует на нашей планете абсолютно везде. В среднем проживающий на Земле человек, не имеющий дела с источниками радиации, ежегодно получает дозу в 1 миллизиверт (мЗв). Космонавт на МКС зарабатывает 0,5−0,7 мЗв. Ежедневно!

Радиационные пояса Земли представляют собой области магнитосферы, в которых накапливаются высокоэнергетичные заряженные частицы. Внутренний пояс состоит преимущественно из протонов, внешний — из электронов. В 2012 году спутником NASA был открыт еще один пояс, который находится между двумя известными.

«Можно привести интересное сопоставление, — говорит заведующий отделом радиационной безопасности космонавтов Института медико-биологических проблем РАН, кандидат физико-математических наук Вячеслав Шуршаков. — Допустимой ежегодной дозой для сотрудника АЭС считаются 20 мЗв — в 20 раз больше, чем получает обычный человек. Для специалистов по ликвидации аварий, этих особым образом подготовленных людей, максимальная годовая доза составляет 200 мЗв. Это уже в 200 раз больше по сравнению с обычной дозой и… практически столько же, сколько получает космонавт, проработавший год на МКС».

В настоящее время медициной установлена максимальная предельная доза, которую в течение жизни человеку превышать нельзя во избежание серьезных проблем со здоровьем. Это 1000 мЗв, или 1 Зв. Таким образом, даже работник АЭС с его нормативами может спокойно трудиться лет пятьдесят, ни о чем не беспокоясь. Космонавт же исчерпает свой лимит всего за пять лет. Но, даже налетав четыре года и набрав свои законные 800 мЗв, он уже вряд ли будет допущен в новый полет годичной продолжительности, потому что появится угроза превышения лимита.

«Еще одним фактором радиационной опасности в космосе, — объясняет Вячеслав Шуршаков, — является активность Солнца, особенно так называемые протонные выбросы. В момент выброса за короткое время космонавт на МКС может получить дополнительно до 30 мЗв. Хорошо, что солнечные протонные события происходят редко — 1−2 раза за 11-летний цикл солнечной активности. Плохо, что эти процессы возникают стохастически, в случайном порядке, и плохо поддаются прогнозированию. Я не помню такого, чтобы мы были бы заранее предупреждены нашей наукой о грядущем выбросе. Обычно дело обстоит по‑другому. Дозиметры на МКС вдруг показывают повышение фона, мы звоним специалистам по Солнцу и получаем подтверждение: да, наблюдается аномальная активность нашего светила. Именно из-за таких внезапно возникающих солнечных протонных событий мы никогда точно не знаем, какую именно дозу привезет с собой космонавт из полета».

Частицы, сводящие с ума

Радиационные проблемы у экипажей, отправляющихся на Марс, начнутся еще у Земли. Корабль массой 100 или более тонн придется долго разгонять по околоземной орбите, и часть этой траектории пройдет внутри радиационных поясов. Это уже не часы, а дни и недели. Дальше — выход за пределы магнитосферы и галактическое излучение в его первозданной форме, много тяжелых заряженных частиц, воздействие которых под «зонтиком» магнитного поля Земли ощущается мало.

«Проблема в том, — говорит Вячеслав Шуршаков, — что влияние частиц на критические органы человеческого организма (например, нервную систему) сегодня мало изучено. Возможно, радиация станет причиной потери памяти у космонавта, вызовет ненормальные поведенческие реакции, агрессию. И очень вероятно, что эти эффекты не будут привязаны к конкретной дозе. Пока не накоплено достаточно данных по существованию живых организмов за пределами магнитного поля Земли, отправляться в длительные космические экспедиции очень рискованно».

Когда специалисты по радиационной безопасности предлагают конструкторам космических аппаратов усилить биозащиту, те отвечают, казалось бы, вполне рациональным вопросом: «А в чем проблема? Разве кто-то из космонавтов умер от лучевой болезни?» К сожалению, полученные на борту даже не звездолетов будущего, а привычной нам МКС дозы радиации хоть и вписываются в нормативы, но вовсе не безобидны. Советские космонавты почему-то никогда не жаловались на зрение — видимо, побаиваясь за свою карьеру, но американские данные четко показывают, что космическая радиация повышает риск катаракты, помутнения хрусталика. Исследования крови космонавтов демонстрируют увеличение хромосомных аберраций в лимфоцитах после каждого космического полета, что в медицине считается онкомаркером. В целом сделан вывод о том, что получение в течение жизни допустимой дозы в 1 Зв в среднем укорачивает жизнь на три года.

Лунные риски

Одним из «сильных» доводов сторонников «лунного заговора» считается утверждение о том, что пересечение радиационных поясов и нахождение на Луне, где нет магнитного поля, вызвало бы неминуемую гибель астронавтов от лучевой болезни. Американским астронавтам действительно приходилось пересекать радиационные пояса Земли — протонный и электронный. Но это происходило в течение всего лишь нескольких часов, и дозы, полученные экипажами «Аполлона» в ходе миссий, оказались существенными, но сопоставимыми с теми, что получают старожилы МКС. «Конечно, американцам повезло, — говорит Вячеслав Шуршаков, — ведь за время их полетов не произошло ни одного солнечного протонного события. Случись такое, астронавты получили бы сублетальные дозы — уже не 30 мЗв, а 3 Зв.

Намочите полотенца!

«Мы, специалисты в области радиационной безопасности, — говорит Вячеслав Шуршаков, — настаиваем на том, чтобы защита экипажей была усилена. Например, на МКС наиболее уязвимыми являются каюты космонавтов, где они отдыхают. Там нет никакой дополнительной массы, и от открытого космоса человека отделяет лишь металлическая стенка толщиной в несколько миллиметров. Если приводить этот барьер к принятому в радиологии водному эквиваленту, это всего лишь 1 см воды. Для сравнения: земная атмосфера, под которой мы укрываемся от излучения, эквивалентна 10 м воды. Недавно мы предложили защитить каюты космонавтов дополнительным слоем из пропитанных водой полотенец и салфеток, что намного бы снизило действие радиации. Разрабатываются медикаментозные средства для защиты от излучения — правда, на МКС они пока не используются. Возможно, в будущем методами медицины и генной инженерии мы сможем усовершенствовать тело человека таким образом, чтобы его критические органы были более устойчивыми к факторам радиации. Но в любом случае без пристального внимания науки к этой проблеме о дальних космических полетах можно забыть».

Curiosity имеет на борту прибор RAD для определения интенсивности радиоактивного облучения. В ходе своего полета к Марсу Curiosity производил замеры радиационного фона, а сегодня об этих результатах рассказали ученые, которые работают с NASA. Поскольку марсоход летел в капсуле, а датчик радиации располагался внутри, то эти замеры практически соответствуют тому радиационному фону, который будет присутствовать в пилотируемом космическом корабле.

Результат не вдохновляет - эквивалентная доза поглощенного радиационного облучения в 2 раза превосходит дозу МКС. И в четыре - ту, которая считается предельно допустимой для АЭС.

То есть шестимесячный полет к Марсу примерно равносилен 1 году проведенному на околоземной орбите или двум на атомной электростанции. Учитывая, что общая длительность экспедиции должна составить около 500 суток, перспектива открывается не оптимистичная.
Для человека накопленная радиация в 1 Зиверт повышает риск раковых заболеваний на 5%. NASA позволяет своим астронавтам за свою карьеру, набирать не более 3% риска или 0,6 Зиверта. С учетом того, что на МКС ежедневная доза составляет до 1 мЗв, то предельный срок пребывания астронавтов на орбите ограничивается примерно 600 сутками за всю карьеру.
На самом Марсе радиация должна быть примерно в два раза ниже чем в космосе, из-за атмосферы и пылевой взвеси в ней т.е. соответствовать уровню МКС, но точных показателей еще не публиковали. Интересны будут показатели RAD в дни пылевых бурь - узнаем насколько марсианская пыль является хорошим радиационным экраном.

Сейчас рекорд пребывания на околоземной орбите принадлежит 55-летнему Сергею Крикалеву - на его счету 803 суток. Но он набрал их с перерывами - всего он совершил 6 полетов с 1988 по 2005 год.

Прибор RAD состоит из трех кремниевых твердотельных пластин, выступающих в качестве детектора. Дополнительно он имеет кристалл йодида цезия, который используется в качестве сцинтилятора . RAD установлен так, чтобы во время посадки смотреть в зенит и захватывать поле в 65 градусов.

Фактически это радиационный телескоп, который фиксирует ионизирующие излучения и заряженные частицы в широком диапазоне.

Радиация в космосе возникает в основном из двух источников: от Солнца - во время вспышек и коронарных выбросов, и от космических лучей, которые возникают во время взрывов сверхновых или других высокоэнергетических событий в нашей и других галактиках.


На иллюстрации: взаимодействие солнечного «ветра» и магнитосферы Земли.

Космические лучи составляют основную долю радиации в межпланетном путешествии. На них приходится доля излучения в 1,8 мЗв в сутки. Лишь три процента облучения накоплено Curiosity от Солнца. Это связано еще и с тем, что полет проходил в сравнительно спокойное время. Вспышки повышают суммарную дозу, и она приближается к 2 мЗв в сутки.

Пики приходятся на солнечные вспышки.

Нынешние технические средства более эффективны против солнечной радиации, которая имеет невысокую энергию. Например, можно оборудовать защитную капсулу, где космонавты смогут скрываться во время солнечных вспышек. Однако, от межзвездных космических лучей не защитят даже 30 см алюминиевые стены. Свинцовые, вероятно, помогли бы лучше, но это значительно повысит массу корабля, а значит затраты на его выведение и разгон.

Наиболее эффективным средством минимизации облучения должны стать новые типы двигателей, которые существенно сократят время полета до Марса и обратно. NASA сейчас работает над солнечным электрореактивным двигателем и ядерным тепловым. Первый может в теории разогнаться до 20 раз быстрее современных химических двигателей, но разгон будет очень долгим из-за малой тяги. Аппарат с таким двигателем предполагается направить для буксировки астероида , который NASA хочет захватить и перевести на окололунную орбиту для последующего посещения астронавтами.

Наиболее перспективные и обнадеживающие разработки по электрореактивным двигателям ведутся по проекту VASIMR . Но для путешествия к Марсу солнечных панелей будет недостаточно - понадобится реактор.

Ядерный тепловой двигатель развивает удельный импульс примерно втрое выше современных типов ракет. Суть его проста: реактор нагревает рабочий газ (предполагается водород) до высоких температур без использования окислителя, который требуется химическим ракетам. При этом предел температуры нагрева определяется только материалом из которого изготовлен сам двигатель.

Но такая простота вызывает и сложности - тягой очень сложно управлять. NASA пытается решить эту проблему, но не считает разработку ЯРД приоритетной работой.

Применение ядерного реактора еще перспективно тем, что часть энергии можно было бы пустить на генерацию электромагнитного поля, которое бы дополнительно защищало пилотов и от космической радиации, и от излучения собственного реактора. Эта же технология сделала бы рентабельной добычу воды на Луне или астероидах, то есть дополнительно стимулировала коммерческое применение космоса.
Хотя сейчас это не более чем теоретические рассуждения, не исключено, что именно такая схема станет ключом к новому уровню освоения Солнечной системы.