Расчет дозы облучения космонавта солнечным ветром. Космическая радиация: что это такое и опасно ли для человека? МКС и солнечная вспышка

Космос радиоактивен. Укрыться от радиации просто невозможно. Представьте себе, что вы стоите посреди песчаной бури, и вокруг вас постоянно кружит водоворот из мелких камешков, которые ранят вашу кожу. Примерно так выглядит космическая радиация. И эта радиация наносит немалый вред. Но проблема в том, что в отличие от камушков и кусочков земли ионизирующее излучение не отскакивает от человеческой плоти. Оно проходит сквозь нее, как пушечное ядро пробивает насквозь здание. И эта радиация наносит немалый вред.

На прошлой неделе ученые из медицинского центра при университете города Рочестера опубликовали результаты исследования, свидетельствующие о том, что длительное воздействие галактической радиации, которому могут подвергнуться астронавты, отправившиеся на Марс, способно повысить риск заболевания болезнью Альцгеймера.

Читая сообщения СМИ об этом исследовании, я начала любопытствовать. Мы отправляем людей в космос уже более полувека. Мы имеем возможность следить за целым поколением астронавтов - как эти люди старятся и умирают. И мы постоянно отслеживаем состояние здоровья тех, кто сегодня летает в космос. Научные работы, подобные осуществленным в университете Рочестера, проводятся на лабораторных животных, таких, как мыши и крысы. Они призваны помочь нам подготовиться к будущему. Но что мы знаем о прошлом? Повлияла ли радиация на людей, которые уже побывали в космосе? Как она воздействует на находящихся на орбите в данный момент?

Существует одно ключевое отличие астронавтов сегодняшнего дня от астронавтов будущего. Отличие это - сама Земля.

Галактическое космическое излучение, называемое иногда космической радиацией, это как раз то, что вызывает наибольшую тревогу у исследователей. Оно состоит из частиц и кусочков атомов, которые могли появиться в результате образования сверхновой звезды. Большая часть этого излучения, примерно 90%, состоит из протонов, оторванных от атомов водорода. Эти частицы летят через галактику почти что со скоростью света.

А потом они наносят удар по Земле. У нашей планеты имеется пара защитных механизмов, укрывающих нас от воздействия космической радиации. Во-первых, магнитное поле Земли отталкивает некоторые частицы, а некоторые полностью блокирует. Преодолевшие данный барьер частицы начинают сталкиваться с атомами, находящимися в нашей атмосфере.

Если вы сбросите вниз с лестницы большую башню, построенную из деталей конструктора «Лего», она разлетится на мелкие куски, которые будут отлетать от нее на каждой новой ступеньке. Примерно то же самое происходит в нашей атмосфере и с галактической радиацией. Частицы сталкиваются с атомами и распадаются на части, образуя новые частицы. Эти новые частицы снова обо что-нибудь ударяются и опять распадаются на части. С каждый шагом они теряют энергию. Частицы замедляются и постепенно слабеют. К тому времени, когда они «останавливаются» на поверхности Земли, у них уже нет того мощного запаса галактической энергии, какой они обладали прежде. Это излучение намного менее опасно. Маленькая деталь от «Лего» бьет намного слабее, чем собранная из них башня.

Всем тем астронавтам, которых мы отправляли в космос, защитные барьеры Земли во многом помогли, по крайней мере, частично. Об этом мне рассказал Фрэнсис Кучинотта (Francis Cucinotta). Он - научный руководитель программы НАСА по исследованию воздействия радиации на человека. Это как раз тот парень, который может рассказать, насколько вредна радиация для астронавтов. По его словам, за исключением полетов «Аполлона» на Луну, человек присутствует в космосе в пределах действия магнитного поля Земли. Международная космическая станция, например, находится выше атмосферы, но все равно в глубине первого эшелона обороны. Наши астронавты не подвергаются в полной мере воздействию космического излучения.

Кроме того, под таким воздействием они находятся довольно непродолжительное время. Самый длительный полет в космос продолжался чуть больше года. А это важно, потому что ущерб от радиации имеет кумулятивное действие. Ты рискуешь гораздо меньше, когда шесть месяцев проводишь на МКС, чем когда отправляешься (пока теоретически) в многолетнее путешествие на Марс.

Но интересно и довольно тревожно то, сказал мне Кучинотта, что даже имея все эти механизмы защиты, мы наблюдаем, как излучение негативно воздействует на астронавтов.

Очень неприятная вещь это катаракта - изменения в хрусталике глаза, вызывающие его помутнение. Поскольку через мутный хрусталик в глаз человека попадает меньше света, больные катарактой люди хуже видят. В 2001 году Кучинотта с коллегами изучил данные продолжающегося исследования состояния здоровья астронавтов и пришел к следующему выводу. Астронавты, подвергшиеся большей дозе радиации (потому что они совершили больше полетов в космос или из-за специфики их миссий*) имели больше шансов на развитие у них катаракты, чем те, у кого доза облучения была ниже.

Наверняка существует также повышенная опасность заболевания раком, хотя количественно и точно такую опасность проанализировать трудно. Дело в том, что у нас нет данных эпидемиологов о том, какому типу радиации подвергаются астронавты. Мы знаем количество заболевших раком после атомной бомбардировки Хиросимы и Нагасаки, однако эта радиация несопоставима с галактическим излучением. В частности, Кучинотту больше всего беспокоят ионы ВВЧ - высокоатомных высокоэнергетических частиц.

Это очень тяжелые частицы, и перемещаются они очень быстро. На поверхности Земли мы не испытываем на себе их воздействие. Их отсеивают, тормозят и разбивают на части защитные механизмы нашей планеты. Однако ионы ВВЧ могут наносить больший вред и вред более разнообразный, чем то излучение, с которым радиологи хорошо знакомы. Мы знаем об этом, потому что ученые сравнивают пробы крови астронавтов до и после полета в космос.

Кучинотта называет это предполетной поверкой. Ученые берут образец крови у астронавта перед отправлением на орбиту. Когда астронавт находится в космосе, ученые делят взятую кровь на части и подвергают ее воздействию гамма-излучения различной степени. Это вроде той вредной радиации, с которой мы порой сталкиваемся на Земле. Затем, когда астронавт возвращается, они сравнивают эти подвергнутые гамма-излучению образцы крови с тем, что реально произошло с ним в космосе. «Мы отмечаем двух- трехкратную разницу у разных астронавтов», - сказал мне Кучинотта.

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.

Космическая лента

Русский философ Н.Ф. Фёдоров (1828 - 1903) впервые заявил о том, что перед людьми лежит путь к освоению всего космического пространства как стратегического пути развития человечества. Он обратил внимание на то, что только такая безбрежная область способна привлечь к себе всю духовную энергию, все силы человечества, которые растрачиваются на взаимные трения или расходуются по пустякам. ... Его идея о переориентации промышленного и научного потенциала военно-промышленного комплекса на исследование и освоение космоса, в том числе и дальнего, способно кардинальным образом снизить военную опасность в мире. Для того, чтобы это произошло на практике, сначала это должно произойти в головах людей, в первую очередь принимающих глобальные решения. ...

На пути освоения космического пространства возникают различные сложности. Главным препятствием на первый план якобы выходит проблема радиации, вот перечень публикаций об этом:

29.01.2004 , газета «Труд», «Облучение на орбите»;
("И вот печальная статистика. Из 98 наших летавших космонавтов в живых нет уже восемнадцати, то есть каждого пятого. Из них четверо погибли при возвращении на Землю, Гагарин - в авиакатастрофе. Четверо умерли от рака (Анатолию Левченко было 47 лет, Владимиру Васютину - 50...). ")

2. За 254 дня полёта на Марс марсохода «Кьюриосити» доза облучения составила более 1 Зв , т.е. в среднем более 4 мЗв/день.

3. При полётах космонавтов вокруг Земли доза облучения составляет от 0,3 до 0,8 мЗв/день ()

4. С момента открытия радиации, её научного изучения и практического массового освоения промышленностью накоплен огромный , в том числе и по воздействию радиации на организм человека .
Чтобы связать заболевание космонавта с воздействием космической радиации нужно сравнивать между собой заболеваемость космонавтов, летавших в космос, с заболеваемостью космонавтов контрольной группы, которые в космосе не были.

5. В космической интернет энциклопедии www.astronaut.ru собрана вся информация по космонавтам, астронавтам и тайконавтам, летавшим в космос, а также кандидатах, отобранных для полётов, но не летавших в космос.
Пользуясь этими данными я составил сводную таблицу по СССР/России с персональными налётами, датами рождения и смерти, причинами смерти и др.
Обобщенные данные представлены в таблице:

	В базе космической энциклопедии, человек	Живут, человек	Умерли от всех причин, человек	Умерли от рака, человек
Летали в космос	116 , из них 28 - с налетом до 15 дней, 45 - с налетом от 16 до 200 дней, 43 - с налетом от 201 до 802 дней	87 (ср.возраст - 61 год) из них 61 на пенсии	29 (25%) ср.возраст - 61 год	7 (6%), из них 3 - с налетом 1-2 дня, 3 - с налетом 16-81 дней 1 - с налётом 269 дней
Не летали в космос	158	101 (ср.возраст - 63 года) из них 88 на пенсии	57 (36%) ср.возраст - 59 лет	11 (7%)

Существенных и явных отличий между группой лиц, летавших в космос и контрольной группой не обнаруживается.
Из 116 человек СССР/России летавших в космос хотя бы единожды 67 человек имеет индивидуальный космический налет более 100 суток (максимально 803 суток), 3 человека из них умерли в 64, 68 и 69 лет. У одного из умерших был рак. Остальные на ноябрь 2013 года живы, включая 20 космонавтов с максимальными налётами (от 382 до 802 суток) с дозами (210 - 440 мЗв) при среднесуточной 0,55 мЗв. Что подтверждает радиационную безопасность длительных космических полетов.

6. Также много и других данных по здоровью людей, получивших повышенные дозы радиационного облучения в годы создания атомной отрасли в СССР. Так, «на ПО «Маяк»: «В 1950-1952 гг. мощности дозы внешнего гамма(излучения вблизи технологических аппаратов достигали 15-180 мР/ч. Годовые дозы внешнего облучения у 600 наблюдаемых работников завода составляли 1,4-1,9 Зв/год. В отдельных случаях максимальные годовые дозы внешнего облучения достигали 7-8 Зв/год. …
Из 2300 работников, перенесших хроническую лучевую болезнь, после 40-50 лет наблюдений в живых остается 1200 человек со средней суммарной дозой 2,6 Гр при среднем возрасте 75 лет. А из 1100 умерших (средняя доза 3,1 Гр) в структуре причин смерти заметно увеличение доли злокачественных опухолей, но и их средний возраст составил 65 лет.»
«Проблемы ядерного наследия и пути их решения.» — Под общей редакцией Е.В. Евстратова, А.М. Агапова, Н.П. Лаверова, Л.А. Большова, И.И. Линге. — 2012 г. — 356 с. — Т1. (скачать)

7. «… обширные исследования, охватившие около 100 000 человек, переживших атомные бомбардировки Хиросимы и Нагасаки в 1945 году, показали, что пока рак является единственной причиной повышения смертности в этой группе населения.
«Однако в то же самое время развитие рака под действием радиации не является специфическим, оно может вызываться также другими природными или техногенными факторами (курением, загрязнением воздуха, воды, продуктов химическими веществами и др.). Радиация лишь повышает риск, существующий без нее. Например, российские медики считают, что вклад нерационального питания в развитие раковых заболеваний составляет 35%, а курения — 31%. А вклад радиации, даже при серьезном облучении, не больше 10%».()


(ист. «Ликвидаторы. Радиологические последствия Чернобыля», В. Иванов, Москва, 2010 год (скачать)

8. «В современной медицине радиотерапия является, одним из трех ключевых методов лечения онкологических заболеваний (двумя другими являются химиотерапия и традиционная хирургия). При этом, если отталкиваться от тяжести побочных эффектов, лучевая терапия переносится гораздо легче. В особо тяжелых случаях пациенты могут получать очень высокую суммарную дозу - до 6 грей (при том, что доза порядка 7-8 грей является смертельной!). Но даже при такой огромной дозе, когда больной выздоравливает, он зачастую возвращается к полноценной жизни здорового человека - даже дети, рожденные бывшими пациентами клиник лучевой терапии, не обнаруживают никаких признаков врожденных генетических отклонений, связанных с облучением.
Если тщательно обдумать и взвесить факты, то такое явление, как радиофобия - иррациональный страх перед радиацией и всем, что с ней связано - становится совершенно нелогичным. Действительно: люди считают, что случилось нечто страшное, когда дисплей дозиметра показывает хотя бы двукратное превышение естественного фона - и в то же время с удовольствием ездят поправлять здоровье на радоновые источники, где фон может быть превышен в десять и более раз. Большие дозы ионизирующего излучения излечивают больных смертельными заболеваниями - и в то же время человек, случайно попавший в поле излучения, однозначно приписывает ухудшение своего здоровья (если такое ухудшение вообще произошло) действию радиации.» ("Радиация в медицине" , Ю.С.Коряковский, А.А. Акатов, Москва, 2009г.)
Статистика смертности говорит о том, что каждый третий житель Европы умирает от различного рода раковых заболеваний.
Одним из основных методов лечения злокачественных опухолей является лучевая терапия, которая необходима примерно для 70% онкологических больных, тогда как в России ее получают только около 25% нуждающихся. ()

На основе всех накопленных данных, можно смело утверждать: проблема радиации при освоении космоса сильно преувеличена и дорога к освоению космического пространства для человечества открыта.

P.S. Статья была опубликована в профессиональном журнале "Атомная стратегия" , а перед этим на сайте журнала была оценена рядом специалистов. Вот наиболее информативный комментарий полученный там: "Что такое космическое излучение. Это излучение Солнечное + Галактическое. Солнечное во много раз интенсивней Галактического, особенно в период солнечной активности. Именно оно определяет основную дозу. Его компонентный и энергетический состав – протоны (90%) и остальное менее существенное(электр., гамма,…). Энергия основной доли протонов- от кэВ до 80-90 МэВ. (Есть и высокоэнергетический хвост, но это уже доли проц.) Пробег 80 МэВ-ного протона ~7 (г/см^2) или около 2,5 см алюминия. Т.е. в стенке космического корабля толщиной 2,5-3 см они полностью поглощаются. Хотя протоны генерируют в ядерных реакциях на алюминии нейтроны, но эффективность генерации небольшая. Таким образом, мощность дозы за обшивкой корабля достаточно высокая (т.к. коэффициент конверсии поток-доза для протонов указанных энергий очень большой). А внутри уровень вполне приемлемый, хотя и повыше, чем на Земле. Вдумчивый и дотошный читатель сразу ехидно спросит – А как же в самолете. Ведь там мощность дозы намного выше, чем на Земле. Ответ – правильно. Объяснение простое. Высокоэнергетические солнечные и галактические протоны и ядра взаимодействую с ядрами атмосферы (реакции множественного рождения адронов), вызывают адронный каскад (ливень). Поэтому высотное распределение плотности потока ионизирующих частиц в атмосфере имеет максимум. То же самое и с электрон-фотонным ливнем. Адронный и e-g ливни развиваются и гасятся в атмосфере. Толщина атмосферы ~80-100 г/см^2 (эквивалентно 200 см бетона или 50 см железа.) А в обшивке вещества недостаточно для образования хорошего ливня. Отсюда кажущийся парадокс – чем больше толщина защиты корабля, тем выше мощность дозы внутри. Поэтому лучше тонкая защита, чем толстая. Но! 2-3 см защита обязательна (ослабляет дозу от протонов на порядок). Теперь по цифрам. На Марсе дозиметр Кьюриосити набрал около 1 Зв за почти год. Причина достаточно высокой дозы – дозиметр не имел тонкого защитного экрана, о котором говорилось выше. Но все таки, много или мало 1 Зв? Смертельно ли? Пара моих друзей ликвидаторов набрали каждый около 100 Р (разумеется по гамма, а в пересчете на адроны – где-то около 1 Зв). Чувствуют себя лучше, чем мы с вами. Не инвалиды. Официальный подход по нормативным документам. - С разрешения территориальных органов госсаннадзора можно за год получить планируемую дозу 0,2 Зв. (Т.е. сопоставимо с 1 Зв). А прогнозируемый уровень облучения, при которых необходимо срочное вмешательство – 1Гр на все тело(это поглощенная доза, приблизительно равная 1 Зв по эквивалентной дозе.) А на легкие - 6 Гр. Т.е. для получивших на все тело дозу менее 1 Зв и не требуется вмешательства. Так, что не так и страшно. Но лучше, конечно, такие дозы не получать. "

Как уже говорилось, едва американцы начали свою космическую программу, их ученый Джеймс Ван Аллен совершил достаточно важное открытие. Первый американский искусственный спутник, запущенный ими на орбиту, был куда меньше советского, но Ван Аллен додумался прикрепить к нему счетчик Гейгера. Таким образом, была официально подтверждена высказанная еще в конце ХIХ в. выдающимся ученым Николой Теслой гипотеза о том, что Землю окружает пояс интенсивной радиации.

Фотография Земли астронавта Уильяма Андерса

во время миссии «Аполлон-8» (архив НАСА)

Тесла, однако, считался большим чудаком, а академической наукой - даже сумасшедшим, поэтому его гипотезы о генерируемом Солнцем гигантском электрическом заряде давно лежали под сукном, а термин «солнечный ветер» не вызывал ничего, кроме улыбок. Но благодаря Ван Аллену теории Теслы были реанимированы. С подачи Ван Аллена и ряда других исследователей было установлено, что радиационные пояса в космосе начинаются у отметки 800 км над поверхностью Земли и простираются до 24 000 км. Поскольку уровень радиации там более или менее постоянен, входящая радиация должна приблизительно равняться исходящей. В противном случае она либо накапливалась бы до тех пор, пока не «запекла» Землю, как в духовке, либо иссякла. По этому поводу Ван Аллен писал: «Радиационные пояса можно сравнить с протекающим сосудом, который постоянно пополняется от Солнца и протекает в атмосферу. Большая порция солнечных частиц переполняет сосуд и выплескивается, особенно в полярных зонах, приводя к полярным сияниям, магнитным бурям и прочим подобным явлениям».

Радиация поясов Ван Аллена зависит от солнечного ветра. Кроме того, они, по-видимому, фокусируют или концентрируют в себе эту радиацию. Но поскольку концентрировать в себе они могут только то, что пришло напрямую от Солнца, то открытым остается еще один вопрос: сколько радиации в остальной части космоса?

Орбиты атмосферных частиц в экзосфере (dic.academic.ru)

У Луны нет поясов Ван Аллена. У нее также нет защитной атмосферы. Она открыта всем солнечным ветрам. Если бы во время лунной экспедиции произошла сильная солнечная вспышка, то колоссальный поток радиации испепелил бы и капсулы, и астронавтов на той части поверхности Луны, где они проводили свой день. Эта радиация не просто опасна - она смертельна!

В 1963 году советские ученые заявили известному британскому астроному Бернарду Ловеллу, что они не знают способа защитить космонавтов от смертельного воздействия космической радиации. Это означало, что даже намного более толстостенные металлические оболочки российских аппаратов не могли справиться с радиацией. Каким же образом тончайший (почти как фольга) металл, используемый в американских капсулах, мог защитить астронавтов? НАСА знало, что это невозможно. Космические обезьяны погибли менее чем через 10 дней после возвращения, но НАСА так и не сообщило нам об истинной причине их гибели.

Обезьяна-астронавт (архив РГАНТ)

Большинство людей, даже сведущих в космосе, и не подозревают о существовании пронизывающей его просторы смертельной радиации. Как ни странно (а может быть, как раз по причинам, о которых можно догадаться), в американской «Иллюстрированной энциклопедии космической технологии» словосочетание «космическая радиация» не встречается ни разу. Да и вообще эту тему американские исследователи (особенно связанные с НАСА) обходят за версту.

Между тем Ловелл после беседы с русскими коллегами, которые отлично знали о космической радиации, отправил имевшуюся у него информацию администратору НАСА Хью Драйдену, но тот проигнорировал ее.

Один из якобы посетивших Луну астронавтов Коллинз в своей книге упоминал о космической радиации только дважды:

«По крайней мере, Луна была далеко за пределами земных поясов Ван Аллена, что предвещало хорошую дозу радиации для тех, кто побывал там, и смертельную - для тех, кто задержался».

«Таким образом, радиационные пояса Ван Аллена, окружающие Землю, и возможность солнечных вспышек требуют понимания и подготовки, чтобы не подвергать экипаж повышенным дозам радиации».

Так что же означает «понимание и подготовка»? Означает ли это, что за пределами поясов Ван Аллена остальной космос свободен от радиации? Или у НАСА была секретная стратегия укрытия от солнечных вспышек после принятия окончательного решения об экспедиции?

НАСА утверждало, что просто может предсказывать солнечные вспышки, и поэтому отправляло на Луну астронавтов тогда, когда вспышек не ожидалось, и радиационная опасность для них была минимальна.

Пока Армстронг и Олдрин выполняли работу в открытом космосе

на поверхности Луны,Майкл Коллинз

ставался на орбите (архив НАСА)

Впрочем, другие специалисты утверждают: «Возможно предсказать только приблизительную дату будущих максимальных излучений и их плотность».

Советский космонавт Леонов все же вышел в 1966 году в открытый космос - правда, в сверхтяжелом свинцовом костюме. Но спустя всего лишь три года американские астронавты прыгали на поверхности Луны, причем отнюдь не в сверхтяжелых скафандрах, а скорее совсем наоборот! Может, за эти годы специалисты из НАСА сумели найти какой-то сверхлегкий материал, надежно защищающий от радиации?

Однако исследователи вдруг выясняют, что по крайней мере «Аполлон-10», «Аполлон-11» и «Аполлон-12» отправились в путь именно в те периоды, когда количество солнечных пятен и соответствующая солнечная активность приближались к максимуму. Общепринятый теоретический максимум 20-го солнечного цикла длился с декабря 1968 по декабрь 1969 гг. В этот период миссии «Аполлон-8», «Аполлон-9», «Аполлон-10», «Аполлон-11» и «Аполлон-12» предположительно вышли за пределы зоны защиты поясов Ван Аллена и вошли в окололунное пространство.

Дальнейшее изучение ежемесячных графиков показало, что единичные солнечные вспышки - явление случайное, происходящее спонтанно на протяжении 11-летнего цикла. Бывает и так, что в «низкий» период цикла случается большое количество вспышек за короткий промежуток времени, а во время «высокого» периода - совсем незначительное количество. Но важно именно то, что очень сильные вспышки могут иметь место в любое время цикла.

В эпоху «Аполлонов» американские астронавты провели в космосе в общей сложности почти 90 дней. Поскольку радиация от непредсказуемых солнечных вспышек долетает до Земли или Луны менее чем за 15 минут, защититься от нее можно было бы только с помощью свинцовых контейнеров. Но если мощности ракеты хватило, чтобы поднять такой лишний вес, то почему надо было выходить в космос в тонюсеньких капсулах (буквально в 0,1 мм алюминия) при давлении в 0,34 атмосфер?

Это притом, что даже тонкий слой защитного покрытия, именуемого «майларом», по утверждениям экипажа «Аполлон-11», оказался столь тяжек, что его пришлось срочно стирать с лунного модуля!

Похоже, в лунные экспедиции НАСА отбирало особенных парней, правда, с поправкой на обстоятельства, отлитых не из стали, а из свинца. Американский исследователь проблемы Ральф Рене не поленился рассчитать, как часто каждая из якобы состоявшихся лунных экспедиций должна была попасть под солнечную активность.

Между прочим, один из авторитетных сотрудников НАСА (заслуженный физик, кстати) Билл Модлин в своей работе «Перспективы межзвездных путешествий» откровенно сообщал: «Солнечные вспышки могут выбрасывать ГэВ протоны в том же энергетическом диапазоне, что и большинство космических частиц, но гораздо более интенсивные. Увеличение их энергии при усиленной радиации представляет особую опасность, поскольку ГэВ протоны проникают сквозь несколько метров материала… Солнечные (или звездные) вспышки с выбросом протонов - это периодически возникающая очень серьезная опасность в межпланетном пространстве, которая обеспечивает дозу радиации в сотни тысяч рентген за несколько часов на расстоянии от Солнца до Земли. Такая доза является смертельной и в миллионы раз превышает допустимую. Смерть может наступить уже после 500 рентген за короткий промежуток времени».

Да, бравые американские парни потом должны были сиять похлеще четвертого чернобыльского энергоблока. «Космические частицы опасны, они исходят со всех сторон и требуют как минимум двух метров плотного экрана вокруг любых живых организмов». А ведь космические капсулы, которые по сей день демонстрирует НАСА, имели чуть более 4 м в диаметре. При толщине стен, рекомендуемой Модлиным, астронавты, даже без всякого оборудования, в них бы не влезли, уж не говоря о том, что и не хватило бы топлива для того, чтобы такие капсулы поднять. Но, очевидно, ни руководство НАСА, ни посланные им на Луну астронавты книжек своего коллеги не читали и, находясь в блаженном неведении, преодолели все тернии по дороге к звездам.

Впрочем, может быть, НАСА и впрямь разработало для них некие сверхнадежные скафандры, используя (понятно, очень засекреченный) сверхлегкий материал, защищающий от радиации? Но почему же его так больше нигде и не использовали, как говорится, в мирных целях? Ну ладно, с Чернобылем СССР они не захотели помогать: все-таки перестройка еще не началась. Но ведь, к примеру, в 1979 году в тех же США на АЭС «Тримайл-Айленд» произошла крупная авария реакторного блока, которая привела к расплавлению активной зоны реактора. Так что же американские ликвидаторы не использовали космические скафандры по столь разрекламированной технологии НАСА стоимостью ни много ни мало в $7 млн, чтобы ликвидировать эту атомную мину замедленного действия на своей территории?..

07.12.2016

Марсоход 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.

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.

Эквивалентная доза поглощенного радиационного облучения в 2 раза превосходит дозу МКС.

Шестимесячный полет к Марсу примерно равносилен 1 году проведенному на околоземной орбите. 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.

Длительность жизни космонавтов ниже, чем средняя в их странах. Не менее четверти смертности приходится на онкологию.

Из 112 летавших российских космонавтов 28 уже нет с нами. Пять человек погибли: Юрий Гагарин - на истребителе, Владимир Комаров, Георгий Добровольский, Владислав Волков и Виктор Пацаев - при возвращении с орбиты на Землю. Василий Лазарев умер от отравления некачественным спиртом.

Из 22 остальных покорителей звездного океана для девяти причиной смерти стала онкология. От рака скончались Анатолий Левченко (47 лет), Юрий Артюхин (68), Лев Демин (72), Владимир Васютин (50), Геннадий Стрекалов (64), Геннадий Сарафанов (63), Константин Феоктистов (83), Виталий Севастьянов (75). Официальная причина смерти еще одного космонавта, умершего от рака, не раскрывается. Для полетов за пределы Земли отбирают самых здоровых, самых крепких.

Итак, девять умерших от рака из 22 космонавтов составляют 40,9%. Теперь обратимся к аналогичной статистике в целом по стране. В прошлом году покинули сей мир 1 млн 768 тысяч 500 россиян (данные Росстата). При этом от внешних причин (транспортных ЧП, отравлений алкоголем, самоубийств, убийств) умерли 173,2 тысячи. Остается 1 млн 595 тысяч 300. Скольких граждан загубила онкология? Ответ: 265,1 тысячи человек. Или 16,6%. Сравним: 40,9 и 16,6%. Выходит, обычные граждане от рака умирают в 2,5 раза реже, чем космонавты.

По отряду астронавтов США аналогичных сведений нет. Но даже отрывочные данные свидетельствуют: онкология косит и американских звездоплавателей. Вот неполный список жертв страшной болезни: Джон Свайгерт-младший - рак костного мозга, Дональд Слейтон - рак мозга, Чарлз Вич - рак мозга, Дэвид Уолкер - рак, Алан Шепард - лейкемия, Джордж Лоу - рак толстой кишки, Рональд Пэриз - опухоль головного мозга.

За один полет на орбиту Земли каждый член экипажа получает такое облучение, как если бы 150–400 раз побывал на обследовании в рентгеновском кабинете.

С учетом того, что на МКС ежедневная доза составляет до 1 мЗв (годовая допустимая доза для человека на земле), 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.

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.

Возможно, придется собирать межпланетный космический корабль на орбите вокруг Земли - навешивать тяжелые свинцовые пластины для защиты от радиации. Или использовать для сборки Луну, где вес космолета будет ниже.

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.

Дополнительные требования к космическим и военными микросхемам.

В первую очередь - повышенные требования к надежности (как самого кристалла, так и корпуса), устойчивости к вибрации и перегрузкам, влажности, температурный диапазон - существенно шире, т. к. военная техника и в -40С должна работать, и при нагреве до 100С.

Затем - стойкость к поражающим факторам ядерного взрыва - ЭМИ, большой мгновенной дозе гамма/нейтронного излучения. Нормальная работа в момент взрыва может быть невозможна, но по крайней мере прибор не должен необратимо выйти из строя.

И наконец - если микросхема для космоса - стабильность параметров по мере медленного набора суммарной дозы облучения и выживание после встречи с тяжелым заряженным частицами космической радиации.

Как же влияет радиация на микросхемы?

В «штуках частиц» космическое излучение состоит на 90% из протонов (т.е. ионов dодорода), на 7% из ядер гелия (альфа-частиц), ~1% более тяжелые атомы и ~1% электроны. Ну и звезды (включая Cолнце), ядра галактик, Млечный путь - обильно освещают все не только видимым светом, но и рентгеновским и гамма излучением. Во время вспышек на солнце - радиация от солнца увеличивается в 1000-1000000 раз, что может быть серьёзной проблемой (как для людей будущего, так и нынешних космических аппаратов за пределами магнитосферы земли).

Нейтронов в космическом излучении нет по очевидной причине - свободные нейтроны имеют период полураспада 611 секунд, и превращаются в протоны. Даже от солнца нейтрону не долететь, разве что с совсем уж релятивистской скоростью. Небольшое количество нейтронов прилетает с земли, но это мелочи.

Вокруг земли есть 2 пояса заряженных частиц - так называемые радиационные : на высоте ~4000 км из протонов, и на высоте ~17000 км из электронов. Частицы там движутся по замкнутым орбитам, захваченные магнитным полем земли. Также есть бразильская магнитная аномалия - где внутренний радиационный пояс ближе подходит к земле, до высоты 200 км.

Электроны, гамма и рентгеновское излучение.

Когда гамма и рентгеновское излучение (в том числе вторичное, полученное из-за столкновения электронов с корпусом аппарата) проходит через микросхему - в подзатворном диэлектрике транзисторов начинает постепенно накапливаться заряд, и соответственно начинают медленно изменятся параметры транзисторов - пороговое напряжение транзисторов и ток утечки. Обычная гражданская цифровая микросхема уже после 5000 рад может перестать нормально работать (впрочем, человек может перестать работать уже после 500-1000 рад).

Помимо этого, гамма и рентгеновское излучение заставляет все pn переходы внутри микросхемы работать как маленькие «солнечные батареи» - и если в космосе обычно радиация недостаточна, чтобы это сильно повлияло на работу микросхемы, во время ядерного взрыва потока гамма и рентгеновского излучения уже может быть достаточно, чтобы нарушить работу микросхемы за счет фотоэффекта.

На низкой орбите 300-500км (там где и люди летают) годовая доза может быть 100 рад и менее, соответственно даже за 10 лет набранная доза будет переносима гражданскими микросхемами. А вот на высоких орбитах >1000km годовая доза может быть 10000-20000 рад, и обычные микросхемы наберут смертельную дозу за считанные месяцы.

Тяжелые заряженные частицы (ТЗЧ) - протоны, альфа-частицы и ионы больших энергий

Это самая большая проблема космической электроники - ТЗЧ имеют такую высокую энергию, что «пробивают» микросхему насквозь (вместе с корпусом спутника), и оставляют за собой «шлейф» заряда. В лучшем случае это может привести к программной ошибке (0 стать 1 или наоборот - single-event upset, SEU), в худшем - привести к тиристорному защелкиванию (single-event latchup, SEL). У защелкнутого чипа питание закорачивается с землей, ток может идти очень большой, и привести к сгоранию микросхемы. Если питание успеть отключить и подключить до сгорания - то все будет работать как обычно.

Возможно именно это было с Фобос-Грунтом - по официальной версии нерадиационностойкие импортные микросхемы памяти дали сбой уже на втором витке, а это возможно только из-за ТЗЧ (по суммарной набранной дозе излучения на низкой орбите гражданский чип мог бы еще долго работать).

Именно защелкивание ограничивает использование обычных наземных микросхем в космосе со всякими программными хитростями для увеличения надежности.

Что будет, если защитить космический аппарат свинцом?

С галактическими космическими лучами к нам иногда прилетают частицы с энергией 3*1020 eV, т.е. 300000000 TeV. В человеко-понятных единицах, это около 50Дж, т.е. в одной элементарной частице энергия как у пули мелкокалиберного спортивного пистолета.

Когда такая частица сталкивается например с атомом свинца радиационной защиты - она просто разрывает его в клочья. Осколки также будут иметь гигантскую энергию, и также будут разрывать в клочья все на своём пути. В конечном итоге - чем толще защита из тяжелых элементов - тем больше осколков и вторичной радиации мы получим. Свинцом можно сильно ослабить только относительно мягкую радиацию земных ядерных реакторов.

Аналогичным эффектом обладает и гамма-излучение высоких энергий - оно также способно разрывать тяжелые атомы в клочья за счет фотоядерной реакции.

Происходящие процессы можно рассмотреть на примере рентгеновской трубки.

Электроны от катода летят в сторону анода из тяжелого металла, и при столкновении с ним - генерируется рентгеновское излучение за счет тормозного излучения.

Когда электрон космического излучения прилетит к нашему кораблю - то наша радиационная защита и превратится в естественную рентгеновскую трубку, рядом с нашими нежными микросхемами и еще более нежными живыми организмами.

Из-за всех этих проблем радиационную защиту из тяжелых элементов, как на земле - в космосе не используют. Используют защиту большей частью состоящую из алюминия, водорода (из различных полиэтиленов и проч), т. к. его разбить можно только на субатомные частицы - а это намного сложнее, и такая защита генерирует меньше вторичной радиации.

Но в любом случае, от ТЗЧ защиты нет, более того - чем больше защиты - тем больше вторичной радиации от высокоэнергетических частиц, оптимальная толщина получается порядка 2-3мм алюминия. Самое сложное что есть - это комбинация защиты из водорода, и чуть более тяжелых элементов (т.н. Graded-Z) - но это не сильно лучше чисто «водородной» защиты. В целом, космическую радиацию можно ослабить примерно в 10 раз, и на этом все.