В интернете гуляет мнение о том что марсианская миссия - самоубийство. Есть ли обоснованное научное мнение о том, может ли человек не только добраться до Марса и быть там в функциональном состоянии, но и вернуться живым и здоровым? Такое мнение есть и оно основывается на оценке ключевых стрессов путешествий в дальний космос. Разберем с начала основные комические стрессы, а потом дополнительные.
Длительность
Ключевой вопрос марсианской миссии: "Как долго она должна идти?" Справочник по проектированию межпланетных миссий в период с 2026 по 2045 год грубо оценивает время полета в одну сторону от 100 до 400 земных суток. Для точных вычислений нужно выбрать дату старта, которая зависит от множества обстоятельств - от тренировочной программы команды до погоды на стартовой площадке. Например, в 2033 году есть стартовое окно 06 апреля, а прибытие должно состояться 01 октября, всего 178 суток пути. Это время полета в одну сторону близкое к минимальному.
Идеальная дата для обратного пути появится в апреле 2035 года. Многие расчеты NASA предполагают пребывание людей на Марсе в течении 500 суток до обратного полета. Но рационально ли оставлять команду мисси на поверхности планеты на такой длительный срок? Может быть есть смысл вылететь чрез месяц работы по неидеальной траектории, зато без простоя? Многие другие расчеты и эксперименты определяют длительность всей марсианской миссии включая трансфер в районе 500 суток.
Психология
Проще всего проверить на практике способность людей терпеть своих коллег в замкнутом пространстве в течении длительного времени. Например, в 2011 году проводился 520-суточный изоляционный эксперимент:
Проект "Марс-500" проводился Институтом медико-биологических проблем РАН под эгидой Роскосмоса и Российской академии наук. В него входили ряд экспериментов, имитирующих те или иные аспекты межпланетного пилотируемого полета. Основой является серия экспериментов по длительной изоляции экипажа в условиях специально созданного наземного экспериментального комплекса.
Итоги изоляционного эксперимента признаны учеными успешными:
Многочисленные медицинские исследования, которые проводили наши специалисты, говорят о том, что все члены экипажа к моменту выхода из наземного марсианского комплекса здоровы. Системы тренажеров, которые мы применяли как перед началом, так и в ходе эксперимента, - беговая дорожка, силовые тренажеры, эспандеры - подтвердили свою эффективность. А отражается это в том, что все члены экипажа сохранили свою работоспособность на уровне, близком к исходному.
Микрогравитация
Основные проблемы со здоровьем человека, вызванные избавлением его от тяжести собственного тела это: потеря костной массы, уменьшение сердца и ослабление важной скелетной мускулатуры, например мышцы, выпрямляющей позвоночник. Есть еще два десятка менее важных проблем, связанных с перевернутым распределением крови. И в этой области знаний так же был проведен полноценный эксперимент. Самый продолжительный космический полет в истории космонавтики испытал на себе врач Валерий Поляков. Он был был отправлен на космическую станцию «Мир» 08 января 1994 года и вернулся на Землю 22 марта 1995 года, проведя в условиях микрогравитации 437 дней 17 часов. Этот эксперимент занесен в книгу рекордов Гиннеса.
Валерий отказался от помощи, выходя из посадочной капсулы, чтобы продемонстрировать состояние собственного здоровья. Есть ряд научных статей, которые говорят об отсутствии необратимых изменений в состоянии здоровья у Полякова и не только у него:
Во время заключительного 4-месячного этапа годового космического полета космонавтов Титова и Манарова врач Валерий Поляков был включен в экипаж с целью оценки их состояния здоровья, коррекции физического состояния для подготовки к посадке космического корабля. Комплексная программа научных исследований и экспериментов, проведенных врачом, включала оценку реакций адаптации человеческого организма на различных этапах космической миссии с использованием клинико-физиологических и биохимических методов, тестирование альтернативных режимов физических упражнений и новые контрмеры для предотвращения неблагоприятного долгосрочного воздействия невесомости.
Со времен станции "Мир" уровень космической медицины вырос еще сильнее, экспериментальных данных стало больше, а методики тренировок и космическое спортивное оборудование вышли на новый уровень. Поэтому, сомневаться в сохранении полноценного здоровья и работоспособности космонавтов в миссии длительностью 500 суток и несколько более - нет никаких обоснованных причин.
Вы можете зарядиться спортивной мотивацией, понаблюдав за тренировкой Олега Артемьева в силовом тренажере ARED.
Радиация
Один из космических стрессов, который будет обострен в марсианской миссии, по сравнению с пребыванием на орбите Земли - это воздействие ионизирующего излучения. Вдали от атмосферы уровень рентген и гамма радиации будет выше, а вдали от магнитного поля Земли количество заряженных частиц с высокой энергией, проходящих сквозь тело космонавта будет значительно выше. Но и в этом вопросе был проведен практический эксперимент:
Космический корабль Mars Science Laboratory, содержащий марсоход Curiosity, был запущен на Марс 26 ноября 2011 года, и для большей части 253-дневного полета детектор оценки радиации сделал подробные измерения излучения высокоэнергетических частиц внутри космического корабля. Эти данные дают представление о радиационной опасности, которая будет связана с миссией человека на Марс. Доза эквивалентная самой короткой поездки туда и обратно с текущими двигательными установками и сопоставимым экранированием составляет 0,66 Зиверт.
Это только трансферная радиация. Ученые из NASA экстраполировали эти измерения чтобы получить оценку полной дозы ионизирующего излучения для всей марсианской миссии:
Предложенные NASA марсианские миссии рассчитаны на 180 дней для полета на Марс, 500-дневное пребывание на Марсе и еще одного 180-дневного перелета на Землю. Измерения внутри экранированного корабля, предоставляемые космическим аппаратом, показывают, что такая миссия приведет к радиационному облучению около 1 Зиверта, с примерно равным вкладом трех этапов экспедиции.
1 Зиверт для человека - граница радиационного облучения биологической ткани до появления острой лучевой болезни. То есть, космонавт отправившийся в марсианскую миссию даже на 860 суток вернется относительно здоровым, но отправиться в космос больше не сможет, как и проходить флюорографию каждый год.
Дополнительные космические стрессы
Вышеописанные стрессы могут представлять серьезную опасность в ходе межпланетного перелета, но судя по экспериментальным данным, похоже, не запрещают пилотируемую миссию на Марс. Есть и другие стрессы, для которых нет заявлений ученых о невозможности дальних космических полетов, но они могут стать ресурсными ограничителями. Из-за них может не получиться отправить в полет слишком много людей или слишком надолго.
Коротко причислим эти стрессы. Цитаты ниже взяты из отчета о 18-й конференции по космической биологии и авиакосмической медицине "Земля - орбита - дальний космос":
В космическом полете на организм человека могут влиять три основные группы факторов. Первая группа – физические характеристики космического пространства: крайне низкие степени барометрического давления, космическое излучение, метеорные тела и температура. Вторая группа – динамика полета: вибрация, шум, ускорение и невесомость. Третья группа – длительное пребывание в условиях кабины космического корабля: микроклимат кабин, длительная изоляция, изменение суточной периодики и психологическая совместимость членов экипажа. Однако, существует и малоизученный фактор космического полета – гипомагнитные условия.
Гипомагнитная среда
Комплексное воздействие электромагнитного поля на человека является нерешенной задачей медицинской физики на данный момент. Из-за обеспокоенности общественности по поводу воздействия избыточных электромагнитных полей на здоровье ВОЗ в 1996 году учредила Международный проект по электромагнитным полям для оценки научных доказательств возможного воздействия электромагнитных полей на здоровье. И за 30 лет исследований четких ответов получить не удалось:
Международное агентство по исследованию рака классифицировало радиочастотные электромагнитные поля как возможно канцерогенные для человека (группа 2B). Категория используется когда причинно-следственная связь считается достоверной, но случайность, предвзятость или путаница не могут быть исключены с разумной уверенностью.
А ИМБП РАН пытается ответить на вопрос: "Верит ли здоровью отсутствие электромагнитного поля Земли?":
Исследователями, изучавшими воздействие гипомагнитных условий на физиологические процессы в живом организме, было показано, что они оказывают серьезное влияние на систему кровообращения, состояние кровеносных сосудов, активность переноса кислорода через кровь к окружающим тканям, транспортировку питательных веществ через полупроницаемые мембраны клеток и вызывают аномалии как в эмбриогенезе, так и в постэмбриогенезе.
Эксперименты проводились на перепелиных яйцах в камере, где электромагнитное поле Земли ослаблено в 1000 раз. На сколько мне известно, эксперименты на людях тоже проводятся, но выводы о недостаточном электромагнитном поле пока аналогичны выводам об избыточном. Является ли этот фактор ограничителем марсианской миссии пока сказать нельзя.
Как какать?
При расширении пилотируемых программ за пределы околоземной орбиты снабжение экипажей грузами будет весьма затруднительным. В связи с этим требуется значительное повышение автономности функционирования экипажей, в том числе за счет повышения замкнутости системы жизнеобеспечения. Серьезной задачей является повышение автономности санитарно-гигиенического обеспечения экипажа, в которое входит проведение санитарно-гигиенических процедур.
Вынужденная уринотерапия
При длительных космических полетах используются системы водообеспечения регенерационного типа, осуществляющие максимальное извлечение и регенерацию воды из продуктов жизнедеятельности человека, обеспечивая потребности экипажа с минимальным использованием запасов.
В Российском сегменте МКС с начала пилотируемого полета работают система регенерации воды из конденсата атмосферной влаги, система запасов воды, средства очистки воды для электролиза и средства приема и консервации урины.
Микробиологические и другие проблемы скафандров
Деятельность космонавта во время работы на Марсе потребует постоянного использования защитного скафандра, внутри которого создается безопасный микроклимат.
Скафандр защищает космонавта от множества негативных факторов, таких как вакуум, перепад температур, УФ-облучение, микрометеоритов. Для этой цели скафандр должен обладать теплоизоляционными свойствами с возможностью охлаждения тела внутри костюма. Охлаждение в скафандрах «Орлан-МКС» достигается за счет постоянной циркуляции потока воды. В любых водных системах присутствуют микро-организмы, и большую роль играют бактерии, которые могут образовывать биопленки в виде слизевых скоплений внутри соединительных трубок и насосов, тем самым препятствуя или блокируя нормальную циркуляцию воды.
Помимо этого сейчас скафандры дорогие, имеют ограниченный ресурс и изготавливается индивидуально. Какой именно запас скафандров и как их обслуживать в межпланетной миссии - вопрос открытый.
Лунный и марсианский реголит
Во время космических миссий по программе «Аполлон» многие астронавты отмечали проблемы, связанные с раздражением лунной пылью глаз, кожи, слизистой носа и горла. Пыль не только прилипала к поверхности скафандров при работе на поверхности Луны, но при ее попадании в атмосферу лунного модуля корабля «Аполлон», обусловленном периодическим открыванием кабины, витала в атмосфере, осаждалась на одежде и коже, вызывала приступы так называемой «лунной сенной лихорадки» и сильно ограничивала видимость. Невысокий уровень лунной гравитации увеличивал это воздействие. Пыль как бы повисала в атмосфере лунного модуля, вынуждая астронавтов надевать шлемы внутри кабины для того, чтобы избежать попадание в организм при вдыхании раздражающих частиц. Пылевые частицы могут иметь различную форму, нередко с заостренными краями.
Марсианский реголит аналогичен лунному из-за метода образования. Твердая порода крошится до частиц размером 60 – 80 мкм, но из-за отсутствия достаточных объемов воды и воздуха, не обтачивается, а остается острой. Помимо вышеописанных проблем реголит портит технику как абразив, загрязнитель и за счет электростатики.
Лунная пыль может быть весьма опасна не столько вследствие своего минералогического состава, сколько в результате уникальных физико-химических свойств, которые определяются специфическими условиями ее образования на поверхности Луны и приводят к повышенной биологической реактивности под влиянием космической радиации, солнечного ультрафиолетового излучения и постоянной бомбардировки поверхности лунного реголита микрометеоритами.
Режим труда и отдыха
В 70-е годы ХХ столетия в нашей стране активно разрабатывалась проблема рациональной организации труда и отдыха космонавтов. В ходе этой работы были выполнены теоретические и экспериментальные исследования, результаты которых позволили обосновать требования к полетному режиму труда и отдыха. К ним относятся: стабильная 24-часовая цикличность сна-бодрствования, длительность рабочего дня не более 6,5 ч, ночной сон продолжительностью 8,5 ч и 7-дневная неделя с 5 рабочими и 2 выходными днями.
Покорители Марса окажутся далеко от естественного для человека суточного цикла, в результате чего им потребуется специальная дисциплинарная доктрина. Недооценка важности режима труда и отдыха привела к бунту на космической станции "Скайлэб-4" в 1973 году.
В современных полетах нередко отмечаются нарушения штатного 24-часового распорядка сна ‒ сдвиги периода сна к дневным часам привыполнении ночных работ. В деятельности космонавтов прочно закрепились сверхнормативные рабочие нагрузки с ежедневным превышением нормативного лимита в среднем от 30 минут до 3 и более часов.
Резюмирующая научная статья
Знаешь, Мод, все очень запутано. Масса всяких "но" и "если"...
Большой Лебовски, 1998 г.
"Возможна ли безопасная марсианская миссия?" - вопрос из передовой области космонавтики, простого ответа на который быть не может. Тем ни менее, существует резюмирующая научная работа 2005 года: "Люди на Марсе: целесообразность и анализ затрат и выгод", которая утверждает:
Марс является убедительной астробиологической целью, и человеческая миссия даст возможность собрать огромное количество научных данных. Однако одно исследование не может оправдать повышенный риск. Вместо этого три фактора определяют возможность пилотируемой миссии: экономика, образование и исследования. Человеческая миссия имеет уникальный потенциал, чтобы вдохновить следующее поколение молодых людей на вход в критически необходимые научные и инженерные дисциплины. Миссия экономически осуществима, а программа исследований и разработок, разработанная для пилотируемой миссии, будет стимулировать рост в смежных высокотехнологичных отраслях.
Основными препятствиями являются физиологические реакции человека на 1-2 года радиации и микрогравитационного воздействия. Тем не менее, поддерживающие технологии достаточно зрелы в этих областях, чтобы их можно было доработать в течение нескольких десятилетий. Следовательно, решение о том, выполнять миссию или нет, является политическим. Образовательные и экономические выгоды являются решающими факторами.
Как помочь освоению Марса?
- Один из важнейших ресурсов любой пилотируемой космической миссии - информация о космической медицине. Получить ее можно не только в космосе, но и на Земле в лабораторных условиях. Чтобы понимание космической медицины было полнее ИМБП РАН требуются участники экспериментов, имитирующих микрогравитацию. Если вы готовы провести в Москве 4 недели и соответствуете требованиям, рекомендую принять участие в эксперименте "сухая иммерсия".
Автор статьи - Георгий Тимс для проекта «Физика для гуманитариев». При копировании, пожалуйста, указывайте авторство. Социальные сети проекта: Телеграмм канал, Ютуб канал, Инстаграмм