Радиация в полёте на Марс

13
9
Радиация в полёте на Марс

Радиация в полёте на Марс

Содержание:

Предыстория

Часто можно встретить суждения, что полёт на Марс опасен или невозможен из-за космической радиации. Это даже стало темой для шуток, но подобное продолжают высказывать вполне авторитетные люди, от космонавтов до президентов. В то же время данные опасения не останавливают мечтателей, желающих построить марсианскую ракету или планирующих переезд. Что же нам известно о радиационной опасности марсианских полётов?

На сегодня имеется крайне ограниченный опыт пилотируемых полётов людей в межпланетном пространстве. Только двадцать четыре человека совершали экспедиции за пределы земной магнитосферы в программе Apollo, но длительностью не более двух недель. На Марс же лететь около полугода в одну сторону. Поэтому сегодня источником знаний о радиационных угрозах у других планет выступают исследования на борту околоземной Международной космической станции, немногочисленная статистика лунных полётов, дозиметрические измерения на межпланетных зондах, наземные эксперименты на животных и оценки по математическим моделям.

вернуться к меню ↑

Кратко о космической радиации

Радиацией называют ионизирующее излучение, которое в космосе испускается во время событий, связанных с выделением энергии: процессы на Солнце, взрывы сверхновых, аккреционные диски черных дыр, выбросы квазаров… По физическим свойствам радиацию можно разделить на фотонное излучение — рентген и гамма-лучи; и корпускулярное излучение — электроны, протоны, альфа-частицы, тяжелые заряженные частицы, вторичные нейтроны. По источнику, космическое излучение разделяется на солнечное и галактическое (включая внегалактическое).

Разделение этих типов излучения крайне важно для понимания специфики межпланетных полётов. Например, в земной атомной энергетике приходится учитывать прежде всего гамма и нейтронное излучение. В космосе же гамма незначительна, а нейтроны возникают только от взаимодействия космических лучей с атмосферой, грунтом или корпусом корабля. Зато в открытом космосе наиболее опасными частицами оказываются протоны (ядра атома водорода), альфа (ядра атома гелия) и ядра атомов более тяжелых элементов.

У Земли есть ещё радиационные пояса, но стартующий на межпланетные орбиты корабль пересекает наиболее опасную их часть всего за полчаса, поэтому в контексте длительных полётов ими можно пренебречь. Про сами радпояса уже рассказывалось ранее.

При оценке радиационного воздействия сейчас обычно оперируют двумя единицами: в греях измеряется энергия поглощенного излучения, а в зивертах — биологический эквивалент этого излучения. Разница между ними в факторе, имеющем прекрасное название «коэффициент качества». Он означает насколько пагубное для организма воздействие оказывает радиация. Для примера, одинаковая в греях доза гамма излучения и нейтронного излучения в зивертах будет различаться до двадцати раз — нейтроны намного опаснее, т.е. выше их коэффициент качества.

вернуться к меню ↑

Откуда мы знаем о межпланетной радиации?

В космонавтике применяется несколько разных методов регистрации радиации, одни показывают фон в реальном времени, а другие накапливают воздействие и позволяют оценить суммарную дозу. Например советские лунные «Зонды» несли на борту т.н. «ядерные фотоэмульсии» — чувствительную к радиации фотопленку, проявление которой позволяло оценить дозу, накопленную внутри спускаемого аппарата корабля.

Астронавты Apollo носили на теле активные дозиметры на основе газоразрядной камеры, и пассивные термолюминесцентные и полимерные детекторы.

Сейчас на МКС и лунных аппаратах чаще всего запускают полупроводниковые кремниевые детекторы.

Радиацию у Луны и на Луне принялись изучать ещё до пилотируемых полётов. Так, первая успешно севшая автоматическая станция «Луна-9» несла на борту счетчик Гейгера, орбитальная «Луна-10» также несла несколько детекторов для разных типов излучения. Американцы тщательно регистрировали радиационные условия по пути на Луну и возле неё в 1966-67 гг в многомесячных наблюдениях на пяти аппаратах Lunar Orbiter.

Дозиметрические исследования велись и на орбитальных аппаратах нашего века. Индийцы считали дозу болгарским дозиметром на аппарате Chandrayaan 1 в 2008 году. NASA пять лет собирала данные дозиметром на аппарате LRO. Год назад свои результаты с поверхности Луны опубликовали и китайцы.

По пути на Марс и около него космическое излучение изучалось американским прибором RAD на марсоходе Curiosity, и российско-болгарским прибором на европейском орбитальном зонде ExoMars.

Ещё дальше залетела автоматическая межпланетная станция Rosetta. Она пролетала и рядом с Марсом и улетала до орбиты Юпитера, в своей погоне за кометой 67P Чурюмова-Герасименко.

вернуться к меню ↑

Какова доза в межпланетном пространстве?

Данные с вышеперечисленных аппаратов я свел в общую таблицу. Указанная толщина экранирования в пересчете на алюминий — это усредненное значение. Так, на ExoMars детектор с одной стороны прикрывает пара миллиметров алюминия, а с другой — пара метров всего четырехтонного зонда. У Curiosity немного лучше — он летел в аэродинамическом кожухе, который по своим экранирующим свойствам не сильно отличается от пилотируемых кораблей современного типа.

Суточные показания в таблице тоже усредненные, например, повышенная, по сравнению с остальными, доза экипажа Apollo — это результат неоднократного пересечения радиационных поясов Земли. Данные по «Зондам» брались из двух источников где они отличаются в несколько раз. Во всех остальных случаях, американские результаты не противоречат измерениям приборов других стран, что делает безосновательными подозрения сторонников лунного заговора о недостоверных показаниях в программе Apollo.

В целом, грубое приближение, без учета колебаний фона из-за солнечной активности, позволяет утверждать, что средняя доза в межпланетном пространстве составляет около 0,5 миллигрей в сутки. В биологическом эквиваленте это около 2 миллизиверт. Примерно столько средний житель России получает за полгода, а экипаж Международной космической станции за 3-4 дня. Высоко, но не смертельно.

Специалисты Института медико-биологических проблем РАН оценили суммарную дозу при полёте на Марс туда-обратно менее чем в 0,7 зиверт за 350 суток. По современным требованиям радиационной безопасности для российских космонавтов, за всю их карьеру допустимо накопление дозы 1 зиверт, что на 3% повышает риск онкологических заболеваний в течение жизни. Получается, что с точки зрения радиационной безопасности на Марс можно слетать и вернуться только один раз.

Для примера, космонавт Геннадий Падалка, налетал на МКС 878 суток, и, с точки зрения радиационного воздействия, слетал на Марс и возвращается домой.

Доза же на поверхности Марса — это тема для отдельного разбора.

Поскольку эффекты длительного воздействия межпланетной радиации на людей не изучались, некоторые ученые тренируются на мышах и крысах. Однако к их результатам нужно относиться осторожно, важна корректность поставленного опыта. Несколько лет назад была новость о том, что аналог космической радиации повредил мозги мышей и они поглупели. Если же углубиться в детали, то окажется, что мышкам жарили мозги по 1 миллигрей в день (то есть в два раза выше чем показывают дозиметры в космосе) и исключительно нейтронами (у которых коэффициент качества в 5 раз выше чем у космического фона). В результате подопытные животные получали дозу в десять раз больше чем ожидается в пилотируемой экспедиции.

Данные по смертности участников лунных полётов показывают повышенный процент смертей от сердечно-сосудистых заболеваний, по сравнению с околоземными астронавтами. Но пока для далеко идущих выводов слишком малая выборка (семь случаев), и рано говорить о прямой угрозе межпланетной среды. Хотя эксперименты на мышах также показали, что сочетание имитации невесомости и облучения тяжелыми заряженными частицами способно нанести вред сердечно-сосудистой системе.

вернуться к меню ↑

Можно ли защититься от космической радиации?

Вспомним, у нас есть два типа радиации: солнечная и галактическая. Хотя состав этих космических лучей примерно одинаковый — протоны, алфа, и тяжелые ядра — но они отличаются количеством и энергией. Солнечных заряженных частиц больше, но их энергия ниже, и эта разница определяет разницу в средствах защиты.

Существует распространенный стереотип, что главная опасность в космосе от солнечных вспышек. Но если изучить данные измерений Curiosity, LRO и Rosetta за пределами околоземного магнитного поля, то окажется, что в суммарной накопленной дозе космических аппаратов вклад солнечных вспышек не превышает 25%. Вместе эти три аппарата пробыли в космосе более 15 лет, то есть статистика собрана немалая, однако ни один из них не попадал под мощную солнечную вспышку, которые бывают примерно раз в 10 лет, вроде случившейся 4 августа 1972 года. По результатам моделирования, такая вспышка способна дать экипажу до 4 зиверт за несколько дней, а это лучевая болезнь с риском смертельного исхода (хотя такая доза считалась допустимой для экипажей Apollo). Правда в моделировании 4 зиверта насчитали для содержимого алюминиевой сферы толщиной 2 см, а в среднем полностью снаряженный космический корабль, типа командного модуля Apollo или российского модуля МКС «Звезда», экранирует примерно как 10 см алюминия, что снизило бы дозу в несколько раз.

Солнечные вспышки опасны, но от них можно защититься. Мы это знаем благодаря автоматической межпланетной станции Rosetta. У неё на борту было два дозиметра, один на солнечной стороне, второй на теневой. Когда в зонд прилетела мощная солнечная вспышка, то облучение освещенного прибора значительно возросло, теневой же показал лишь незначительный флуктуации.

Внимательное наблюдение за Солнцем позволяет предсказывать наиболее опасные вспышки — солнечные протонные события — примерно за несколько минут. Их должно хватить, чтобы сориентировать летящий марсианский корабль «хвостом» к Солнцу, и защитить экипаж. Гораздо опаснее мощные вспышки во время выхода в открытый космос, и тут служба наблюдения за космической погодой оказывается жизненно важна.

Несмотря на серьезную опасность мощных солнечных вспышек, в межпланетных перелётах они — не главная проблема. Основной радиационный вред в во время полёта на Марс исходит от галактических космических лучей, и рукотворной защиты от них нет. Они способны прошивать хоть 10 см, хоть 50 см алюминия, и летят со всех сторон, поэтому прикрыться кораблём не получится. И здесь единственная наша подмога — это солнечные вспышки! Точнее солнечный ветер — низкоскоростные потоки солнечных заряженных частиц, которые несут с собой магнитные поля, от центра Солнечной системы к гелиопаузе, туда где заканчивается межпланетное пространство и начинается межзвездное.

Ещё в докосмическую эру, регистрируя потоки вторичных заряженных частиц в атмосфере Земли, ученые заметили, что их интенсивность падает в периоды высокой солнечной активности. Оказалось солнечные выбросы заряженных частиц и магнитных полей тормозят и рассеивают галактические лучи. Это явление назвали солнечная модуляция галактических космических лучей, а кратковременное падение интенсивности галактического излучения во время солнечных вспышек — «Форбуш-эффект». Разница межпланетного радиационного фона, в зависимости от солнечной активности меняется в два-три раза: в солнечный максимум самая низкая доза. Измерения Curiosity и ExoMars велись примерно на середине этого цикла, а на Луну люди летали в период более высокой активности Солнца.

Суммируя все данные теперь понятно, чтобы обеспечить максимально радиационно безопасный перелёт до Марса нужно соблюсти несколько условий:

— сократить насколько возможно длительность перелёта;
— лететь в период максимума солнечного цикла;
— развернуться двигательным отсеком и топливными баками в сторону Солнца;
— обложиться оборудованием, запасами продуктов и воды вокруг жилых отсеков.

Но даже без этих всех ухищрений, можно один раз слетать на Марс и вернуться, оставаясь в допустимых пределах облучения для современных космонавтов.

источник: https://zelenyikot.livejournal.com/160395.html

14
Комментировать

Пожалуйста, авторизуйтесь чтобы добавить комментарий.
4 Цепочка комментария
10 Ответы по цепочке
0 Последователи
 
Популярнейший комментарий
Цепочка актуального комментария
3 Авторы комментариев
blacktiger63AntaresAnton Авторы недавних комментариев
  Подписаться  
новее старее большинство голосов
Уведомление о
Antares

«Внимательное наблюдение за Солнцем позволяет предсказывать наиболее опасные вспышки — солнечные протонные события — примерно за несколько минут. Их должно хватить, чтобы сориентировать летящий марсианский корабль «хвостом» к Солнцу, и защитить экипаж.»
А как это успеть сделать? Если у нас всего несколько минут. Наблюдение за солнцем будет вестись на земле? А сигнал до корабля успеет дойти и время у экипажа останется для маневра? Или наблюдение за солнцем будет вестись с марсианского корабля, тогда размеры и вес корабля увеличивается.
Не совсем понятно, уточните.
Спасибо очень интересно.

Anton
Anton

Или наблюдение за солнцем будет вестись с марсианского корабля, тогда размеры и вес корабля увеличивается.

Прибор для наблюдения — аналог обычной фотокамеры.

Antares

А обработка информации , отдельный компьютер ?

Anton
Anton

А обработка информации , отдельный компьютер ?

Обработка информации — глаз наблюдающего)
Например «корона» при солнечном затмении — это и есть вспышки на солнце.
На синей картинке сверху солнце «закрыто» круглой монеткой, а вы видите «корону» записанную на видео.

Antares

А как же они тогда определят , что выброс плазмы идет именно в сторону корабля. Здесь на картинке видно что плазма уходит в сторону.
Извиняйте, что мучаю вопросами. Но хочу понять.

Anton
Anton

А как же они тогда определят , что выброс плазмы идет именно в сторону корабля

Выброс плазмы можно определить по тёмным пятнам на солнце в телескоп за долго до выброса.
Это электромагнитное поле солнца «скручивает в узел» плазму солнца перед выбросом.
Посмотрите научные фильмы на ютубе про устройство солнца, там всё просто и понятно.

Antares

Ок

Antares

И еще тогда вопрос, а эту фотокамеру, та же радиация не убьет?

Anton
Anton

И еще тогда вопрос, а эту фотокамеру, та же радиация не убьет?

Нет не убьёт.
Всё что посылается в космос(вся электроника) на долгий срок(от месяца и дольше) испытывается на земле принудительным облучением заряженных частиц(с помощью генераторов нейтронов и т.д).
Дозы подбираются так что бы модуля электроники «хватало» на весь срок работы спутника.
К примеру обычного бытового ноутбука если мне не изменяет память хватает всего на пол года.

Antares

Слышал, что NASA боится направлять свой Хаббл на солнце, боятся что выйдет из строя, это верно?

Anton
Anton

боятся что выйдет из строя, это верно?

Верно, как и смотреть на солнце в бинокль губительно для глаз.
Поэтому использую различные фильтры и смотрят в разных диапазонах.
Инфракрасном например.

Antares

И фотографии супер, особенно с сияющей звездой !

Anton
Anton

В космосе же гамма незначительна, а нейтроны возникают только от взаимодействия космических лучей с атмосферой, грунтом или корпусом корабля. Зато в открытом космосе наиболее опасными частицами оказываются протоны (ядра атома водорода), альфа (ядра атома гелия) и ядра атомов более тяжелых элементов.

«Гамма» есть производная от «торможения» протона, нейтрона, альфа и электрона!
Т.е. остановив протон или нейтрон в обшивке корабля его энергия перейдёт в гамму пропорционально скорости «торможения».
Если на человеческом — если остановить нейтрон в сантиметре свинца получишь гаммы в 5 раз больше чем если остановить нейтрон в 5ти сантиметрах алюминия!
Протоны, альфа и бета частицы можно отклонить искусственно созданным электромагнитным полем самого корабля(что и происходит при электромагнитных всплесках от солнца).

blacktiger63

Очень взвешенно, доходчиво, и емко. Без воды и ненужных эмоций. Спасибо, очень интерсно было

×
Зарегистрировать новую учетную запись
Сбросить пароль
Compare items
  • Включить общее количество Поделиться (0)
Сравнить