Приветствую вас.
Одной из спорных тем, которая периодически возникает при обсуждении пилотируемых полётов на Луну или на Марс, является радиация и её влияние на организм человека. На поверхности нашей планеты от космической радиации нас защищает атмосфера и магнитное поле Земли. Но что будет если мы покинем нашу планету? Космонавты и астронавты, работающие на Международной космической станции (МКС), не защищены атмосферой Земли от влияния космической радиации, но в то же самое время их защищает магнитосфера нашей планеты. Так будут ли люди, которые полетят на Марс в будущем, обречены? Помешает ли космическая радиация покинуть нашу планету и отправится в космическое путешествие?
Давайте попробуем разобраться в этом вопросе. Для начала стоит уточнить, что мы подразумеваем под радиацией в космическом пространстве. Источниками радиации за пределами нашей планеты являются Солнце и космические лучи. Солнце испускает ионизирующее излучение в виде ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения, но вклад этой части электромагнитного спектра в дозу облучения человека пренебрежимо мало, если он не покидает космический корабль, или делает это лишь на короткое время.
Гораздо большее беспокойство вызывает непрерывный поток излучения в виде частиц более известных как "солнечный ветер", который состоит в основном из протонов и, в меньшей степени, из альфа-частиц (ядер гелия) и тяжёлых ионов. Частицы солнечного ветра имеют относительно низкую энергию, от 1 до 10 килоэлектронвольт (КэВ), и этот поток относительно легко остановить. Но время от времени наша звезда испускает большое количество частиц с более высокой энергией (свыше 10 МэВ), и это представляет опасность. Такие события известны как "солнечные бури". Солнечные бури связаны со вспышками и выбросами корональной массы - двумя событиями, которые спорадически испытывает наша звезда.
Второй источник радиации - это космические лучи, которые на 90% состоят из протонов. Помимо своего происхождения, космические лучи имеют фундаментальное отличие от солнечного ветра - они имеют более высокую энергию. Хотя поток космических лучей меньше чем поток солнечного ветра, космические лучи имеют гораздо более высокую энергию, поскольку они движутся со скоростью близкую к скорости света. Высокоэнергетические протоны опасны, но тяжелые ядра, которые составляют примерно 1% от космических лучей, являются еще большой опасностью. Эти ядра (а это в основном ядра кислорода, магния, углерода, кремния и железа), в настоящее время остаются загадкой, с точки зрения их воздействия на живой организм.
Ученым достаточно хорошо известно о последствии воздействия гамма-излучения, или таких частиц, как протоны и электроны, на организм человека, но в меньшей степени известно о вреде, который могут нанести эти релятивистские ядра. Различия в физиологических эффектах, зависящие от типа излучения при одинаковой дозе радиации, учитываются так называемым коэффициентом качества Q. Для рентгеновских лучей этот коэффициент равен 1, а для космических лучей этот коэффициент равен 3,7.
Два источника космической радиации дополняют друг друга. Солнечные вспышки происходят чаще всего во время максимума солнечной активности, но в то же самое время, более сильное магнитное поле Солнца снижает поток космических лучей. И наоборот: во время минимума солнечной активности поток космических лучей больше. Космонавты находящиеся на низкой околоземной орбите защищены магнитным полем Земли, хотя они по-прежнему подвергаются воздействию протонов с высокой энергией от солнечных бурь и, космических лучей с низкой энергией. Другим источником радиации на борту МКС является излучение, захваченное самой магнитосферой Земли - те самые знаменитые радиационные пояса Ван Аллена. МКС находится ниже главных радиационных поясов Земли, но люди находящиеся на ее борту все равно страдают от воздействия частиц, захваченных магнитосферой Земли, особенно при прохождении через Южно-Атлантическую аномалию - область магнитосферы с наибольшим потоком частиц.
Как же бороться с космической радиацией? В случае солнечного ветра и солнечных вспышек можно значительно снизить дозу радиации, используя корпус космического корабля в качестве экрана. Вода и полиэтилен – прекрасно защищают от протонов; поэтому в во время солнечной бури люди могут укрыться в тех частях космического корабля, где расположено большее количество оборудования, а также там, где имеется запас воды. Однако от высокоэнергетических космических лучей не существует достаточно надежной защиты.
Еще в недавнем прошлом ученые могли лишь приблизительно оценить дозы облучения, которые получит человек во время путешествия на Марс, но благодаря прибору Radiation Assessment Detector (RAD), который находится на борту марсохода Curiosity эта оценка стала более точной. Во время путешествия на Марс прибор RAD зафиксировал постоянный суточный фоновый уровень (обусловленный в основном космическими лучами) равный 0,45 миллигрей, и его периодическое увеличение из-за солнечных вспышек (во время полета марсохода Curiosity было зарегистрировано 5 подобных событий, ни одно из которых не было очень интенсивным). Солнечные вспышки на два порядка увеличивали уровень радиации, но они были настолько спорадичны и кратковременны, что их вклад в общую дозу радиации во время полета на Марс составил всего 5%. По данным прибора RAD, доза облучения во время путешествия на Марс составляет 1,7 миллизиверт в сутки.
Уровень радиации на поверхности Красной планеты был в 2,5 раза ниже, главным образом из-за того что сама планета действует как массивный щит, блокирующий большую часть космических лучей. Если бы у Марса не было атмосферы, уменьшение потока радиации было бы ниже в 2 раза. Тонкая атмосфера Марса блокирует часть излучения и снижает коэффициент качества излучения с 3,7 до 2,6.
Находясь на поверхности Марса прибор RAD зарегистрировал что вклад солнечного ветра в уровень радиации был минимален во время солнечного минимума, в то время как вклад космических лучей в общий фоновый уровень увеличивался. Также было установлено, что процент видимого неба имеет решающее значение при измерении уровня радиации. Когда марсоход Curiosity находился рядом со склоном (который экранировал излучение), оно уменьшилось примерно на 10%. RAD также измерил вклад высокоэнергетических нейтронов, который составил 24 микрозиверт в сутки, или 5% от общего фона радиации.
Так является ли космическая радиация во время полёта на Марс непреодолимой проблемой? Вывод который можно сделать благодаря данным прибора RAD заключается в том, что суточная доза облучения, которую люди получат на поверхности Марса, равна дозе которую они получат на борту МКС, тогда как во время полёта на Марс доза облучения будет примерно в три раза выше. Следовательно, ключевым фактором является продолжительность миссии на Марс.
Во время миссий по программе "Аполлон", проблема уровня облучения экипажа была не столь критична из-за относительно короткого времени самих лунных экспедиций. И хотя суточная доза облучения, которую астронавты получили во время этих миссий, была выше чем на низкой околоземной орбите, общая накопленная доза была значительно ниже той, которую получает экипаж Международной космической станции в настоящее время.
Среднее время продолжительность экспедиции на МКС составляет от шести месяцев до года. Этот срок рассчитан таким образом, чтобы избежать накопления слишком большой дозы радиации. Кумулятивная доза за время шестимесячной миссии составляет от 50 до 100 миллизиверт, в зависимости от солнечной активности. Во время миссии на будущую лунную станцию Gateway члены экипажа получат дозу от 35 до 70 миллизиверт (несмотря на то, что они будут находится за пределами магнитного поля Земли), так как продолжительность их экспедиции составит один месяц.
Однако путешествие на Марс продлится от двух до трех лет (включая перелет к Марсу, пребывание на Красной планете и возвращение), поэтому общая накопленная доза составит от 1000 до 1300 миллизиверт во время минимума солнечной активности. Или, другими словами, во время обычной миссии на МКС члены экипажа получат одну десятую дозу радиации, которую бы они получили во время путешествия на Марс. Рекорд пребывания человека в космосе принадлежит российскому космонавту Олегу Кононенко - 1110 суток. Геннадий Падалка провел в космосе 878 суток. Космонавты накопили дозу равную от 30% до почти 50% дозы экспедиции на Марс, без каких-либо заметных негативных последствий для своего здоровья.
Медицинские критерии НАСА гласят, что максимальная кумулятивная доза радиации должна быть такой, чтобы вероятность развития рака у астронавта в течение жизни не превышала 3%. Нужно помнить, что эффекты воздействия радиации являются вероятностными и зависят от особенностей организма каждого человека, его возраста и пола. В соответствии с рекомендациями НАСА от 2000 года, доза в 1,3 зиверта находится в пределах максимальной кумулятивной дозы радиации за десять лет службы.
Но можно ли как-то усилить защиту космического корабля от радиации? Как было отмечено выше - основной вклад вносят космические лучи. А самые высокоэнергетические космические лучи невозможно остановить с помощью существующих технологий. Более того, наблюдается следующий парадокс: увеличение толщины противорадиационной защиты сначала снижает уровень радиации, но при дальнейшем её увеличении этот уровень возрастает вновь из-за каскада вторичных частиц, образующихся при столкновении космических лучей с этой самой противорадиационной защитой. Следовательно, можно лишь снизить общий уровень радиации, но избавится от нее полностью невозможно.
Очевидно, что, хотя космическая радиация и является очень важным фактором риска, она ни в коем случае не является непреодолимым препятствием для полётов на Марс.
Ну а на сегодня у меня все. Спасибо за внимание!
Читайте также по данной теме: