В США задумались о радиационной безопасности при межпланетных пилотируемых полетах, в частности, к Марсу. Уже на пути к Луне космических путешественников ждет пояс Ван Аллена, долгое пребывание в котором смертельно опасно для здоровья. Американцы несколько раз пересекали этот пояс — в рамках лунной программы Apollo. Между тем высокоэнергетические космические лучи могут настичь путешественников на любом участке пути от Земли к Марсу, и НАСА делает все возможное для повышения безопасности астронавтов.
В конце 2020-х — начале 2030-х годов астронавты собираются посетить Марс. Полет на Красную планету займет около 500 суток. За это время путешественникам придется столкнуться с высокоэнергетическими космическими лучами. Несмотря на низкую интенсивность таких лучей, их энергия может достигать очень больших значений, опасных для жизни астронавтов.
Важным фактором также является продолжительность воздействия радиации на корабль (и астронавтов в нем). Все это выдвигает определенные требования к траекториям полета, конструкционным материалам космических аппаратов, скафандрам и системам радиационной защиты.
НАСА успело пообещать денежное вознаграждение общим размером до 12 тысяч долларов авторам лучших предложений по защите от опасных космических лучей. С помощью новых идей агентство собирается уменьшить до четырех раз воздействие на астронавтов космической радиации при дальних полетах. Американцы планируют выплатить как минимум одну премию в размере не менее пяти тысяч долларов и одну — не менее тысячи долларов. Свои предложения можно зарегистрировать на сайте краудсорсинговой компании InnoCentive, с которой сотрудничает НАСА. Идеи не должны быть связанными патентными и иными ограничениями, а лицо, их предоставляющее, в случае победы в конкурсе может подвергнуться публичному разглашению. Срок подачи предложений — до 23:59 15 декабря 2014 года по североамериканскому восточному времени.
От космической радиации Землю защищает магнитосфера с ее радиационным поясом. Эта область пространства вокруг Земли характеризуется особой геометрией; в ней заряженные частицы (например, протоны и электроны) взаимодействуют с солнечным ветром и магнитным полем Земли. Радиационный пояс спасает планету от губительной солнечной радиации. Радиационные пояса есть и у наших соседей по Солнечной системе, например, у планет-гигантов — у Сатурна, Юпитера, Нептуна.
В англоязычных странах эту область пространства вокруг Земли называют поясом Ван Аллена, в честь американского физика, возглавлявшего группу ученых, открывших его в 1958 году. Пилотируемый корабль пересек пояс Ван Аллена и в июле 1969 года, когда три астронавта в рамках миссии Apollo 11 направлялись к Луне.
Излучение не оказало заметного влияния на астронавтов, поскольку космический корабль достаточно быстро пролетел через пояс и продолжил путь в пространстве с относительно невысоким уровнем радиации. Кроме того, конструкция стенок модуля корабля, внутри которого находились астронавты, предусматривала специальную защиту от космических лучей. За время путешествия на Луну американцы получили дозу радиации от 1,6 до 11,4 миллигрея, что намного меньше максимально допустимой дозы радиации (50 миллигрей), установленной в США для тех, кто работает с радиоактивностью.
Радиационный пояс у Юпитера
Изображение: wikipedia.org
Специалисты сходятся во мнении, что кратковременное пребывание в поясе Ван Алена (с соответствующей защитой) в целом для здоровья человека неопасно. Однако в исследовании, опубликованном в журнале Space Weather, сообщается, что на момент запуска пилотируемой миссии на Марс придется ослабление магнитной активности Солнца, что может повысить прогнозируемый уровень радиации на несколько процентов.
Учитывая предполагаемую длительность космического путешествия, это чревато превышением допустимой дозы излучения, и полет астронавтов на Марс при современном уровне обеспечения радиационной безопасности окажется невозможным.
Модель внутреннего и внешнего радиационных поясов Земли
Изображение: NASA
С другой стороны,эксперимент «Матрешка-Р», проведенный на борту Международной космической станции (МКС), показал, что дозы радиации, получаемые внутренними органами космонавтов на орбите, в разы меньше, чем думали ранее. Опыты на борту МКС были начаты в 2004 году и проводились на манекенах, внутри которых устанавливались датчики ионизирующего излучения. Модели изготавливались из полиуретана — материала, поглощающего радиацию примерно так же, как тело человека.
«Этот результат важен для планирования длительных полетов: значит, можно лететь дальше и летать дольше. Хотя в целом дозы радиации высокие, и остается вопрос, как их снижать, чтобы не рисковать здоровьем космонавтов», — отметил исследователь Вячеслав Шуршаков из Института медико-биологических проблем Российской академии наук.
Ученые доказали, что воздействие радиации на внутренние органы значительно слабее, чем сообщали дозиметры. «При выходе в открытый космос доза на 15 процентов ниже, а внутри станции — в два раза меньше, чем то, что показывает индивидуальный дозиметр в нагрудном кармане космонавта», — отметил эксперт.
Однако в целом Шуршаков согласился, что даже с учетом этих данных возможная доза излучения для путешественников на Марс все еще слишком высока и специалистам придется искать пути снижения радиации или сокращения срока перелета. Кроме того, свое исследование ученые проводили на борту МКС, лишь задевающей края радиационного пояса Земли и в целом защищенной от космической радиации.
Хотя будущие космические миссии не предполагают долгого пребывания астронавтов в пределах пояса Ван Аллена, долговременные путешествия не исключают их попадания в схожие радиационные условия.
Гелиосфера Солнечной системы
Изображение: NASA
Новый многоразовый космический корабль Orion, первый тестовый полет которого должен состояться 4 декабря 2014 года, на своем борту будет нести два датчика BIRD (Battery-operated Independent Radiation Detector), разработанных сотрудниками физического факультета Хьюстонского университета.
Orion, как ожидается, поднимется выше орбиты МКС и попадет в зону радиационного пояса Земли. Информация, которую соберут датчики, крайне важна для планирования будущих миссий и проектов космических кораблей.
Датчики измерят радиационное излучение в ходе полета корабля: заряд, энергию и направление движения частиц. Кроме того, датчики способны регистрировать и высокоэнергетические нейтральные частицы, такие как, например, нейтроны и фотоны. Эту информацию сравнят с телеметрическими данными корабля, что позволит определить уровни радиации на различных участках траектории полета. BIRD похожи на обычные флеш-накопители и оснащены интерфейсом USB.
Питание устройства обеспечивается встроенной аккумуляторной батареей. Датчики состоят из двух детекторов Timepix. Сами Timepix разработаны в Институте экспериментальной и прикладной физики Чешского технического университета в Праге на основе датчиков Medipix 2, используемых в ЦЕРНе, и протестированы на ускорителе, пучки частиц которого имитировали высокоэнергетические космические лучи. На Timepix они работают с 2012 года.
В любом случае до предполагаемой отправки миссии на Марс у НАСА достаточно времени, чтобы надежно обезопасить своих астронавтов от воздействия радиации.