Одной из главных проблем будущих полётов к Луне и Марсу остаётся космическая радиация. На низкой околоземной орбите астронавты находятся под защитой магнитного поля и атмосферы Земли, но при удалении от планеты эта естественная защита становится значительно слабее. Для экипажей, которые будут проводить недели и месяцы за пределами околоземного пространства, солнечные вспышки и потоки высокоэнергичных частиц представляют серьёзную опасность.
Исследование, проведённое после первого полёта NASA программы Artemis, показало, что специальный радиационно-защитный жилет способен существенно уменьшить дозу излучения, которую получает человек во время мощной солнечной бури. В наиболее тяжёлом рассмотренном сценарии расчёты показали снижение радиационной нагрузки примерно на 60%, а для события уровня мощной солнечной бури 1989 года — почти на 40%. Речь идёт не о полной защите от радиации, а о существенном уменьшении воздействия на наиболее чувствительные органы.
Испытание проводилось не на человеке. Во время беспилотной миссии Artemis I в 2022 году вокруг Луны находились два антропоморфных манекена с тысячами датчиков. Один из них носил специальный жилет AstroRad, второй служил для сравнения. Полученные данные позволили оценить, насколько эффективно такая защита могла бы работать во время сильных солнечных событий.
Почему радиация становится проблемой при полёте к Луне
На Земле человек постоянно подвергается воздействию ионизирующего излучения, однако атмосфера и магнитное поле планеты значительно уменьшают поток опасных частиц, достигающих поверхности.
С космическим пространством ситуация принципиально иная. За пределами низкой околоземной орбиты экипаж сталкивается сразу с несколькими источниками радиации. Один из них связан с радиационными поясами Ван Аллена — областями вокруг Земли, где удерживаются высокоэнергичные заряженные частицы. Любой космический аппарат, направляющийся к Луне, должен пройти через эти области.
Другой источник — галактические космические лучи. Это высокоэнергичные частицы, приходящие из-за пределов Солнечной системы. Их поток существует постоянно, и полностью защититься от него при помощи относительно лёгкой конструкции чрезвычайно сложно.
Но особую опасность для экипажа представляют солнечные частицы, которые могут резко увеличить радиационную нагрузку во время мощных солнечных событий. Именно против таких кратковременных эпизодов и предназначен AstroRad.
Что происходит во время сильной солнечной бури
Солнце постоянно испускает поток заряженных частиц. В обычных условиях он является частью солнечного ветра. Однако во время мощных солнечных событий Солнце может выбросить большое количество высокоэнергичных частиц.
Такие события называют солнечными протонными событиями или солнечными частичными событиями. Они способны за короткое время значительно увеличить радиационную нагрузку на космический аппарат и его экипаж.
Для астронавта опасность заключается в том, что высокоэнергичные частицы могут проникать в организм и повреждать клетки. Одним из наиболее серьёзных долгосрочных последствий воздействия ионизирующего излучения считается повышение риска онкологических заболеваний.
На Земле атмосфера поглощает значительную часть такого излучения, а магнитное поле отклоняет заряженные частицы. На пути к Луне и далее эта защита становится значительно менее эффективной. Поэтому система обеспечения радиационной безопасности должна быть частью самой архитектуры будущих дальних космических экспедиций.
Artemis I предоставила уникальный эксперимент
Миссия Artemis I стартовала в ноябре 2022 года и стала первым комплексным испытанием ракеты Space Launch System и космического корабля Orion в условиях реального полёта к Луне.
Экипажа на борту не было. Вместо людей внутри Orion находились два антропоморфных манекена — Зохар и Хельга. Они были оборудованы большим количеством датчиков, предназначенных для измерения радиационной нагрузки в различных участках тела.
Один манекен, Зохар, был одет в защитный жилет AstroRad. Хельга летела без него. Благодаря этому исследователи получили возможность сравнивать воздействие радиации на одинаковые конструкции с защитным слоем и без него.
Artemis I провела в космосе около 25 суток и совершила полёт вокруг Луны, после чего Orion вернулся на Землю. В течение самой миссии мощной солнечной бури не произошло. Поэтому учёные не получили прямых данных о работе жилета во время экстремального солнечного события.
Однако манекены зафиксировали реальное распределение радиации во время полёта, в том числе при прохождении радиационных поясов Земли. Эти данные затем использовали для моделирования того, как жилет повёл бы себя во время более мощных солнечных событий.
Почему сравнение двух манекенов было принципиальным
Обычная компьютерная модель не может полностью заменить эксперимент в реальном космическом пространстве. Распределение радиации внутри космического корабля зависит от его конструкции, положения аппарата, направления движения и взаимодействия частиц с материалами.
Именно поэтому данные Artemis I имеют особую ценность. Два манекена находились внутри одного космического корабля и проходили через практически одинаковые условия. Разница заключалась прежде всего в наличии или отсутствии защитного жилета.
Каждый манекен содержал тысячи датчиков. Они позволили определить, какое количество излучения достигало различных областей тела. Полученные измерения стали основой для дальнейшего моделирования воздействия солнечных частиц.
Это позволило исследователям оценить эффективность жилета не в абстрактной лабораторной среде, а на основе реального космического полёта за пределами низкой околоземной орбиты.
Какие органы защищает жилет
AstroRad не предназначен для равномерного покрытия всего тела толстым слоем защитного материала. Его задача другая — обеспечить дополнительную защиту наиболее чувствительных органов.
Жилет закрывает область груди и живота, где расположены лёгкие, желудок, костный мозг, молочные железы и репродуктивные органы, включая яичники. Именно эти ткани относятся к числу наиболее чувствительных к воздействию ионизирующего излучения.
Такой принцип позволяет избежать необходимости создавать защитную конструкцию одинаковой толщины вокруг всего тела. Масса космического оборудования имеет критическое значение: каждый дополнительный килограмм необходимо доставить на орбиту, а при дальних экспедициях — ещё и перемещать между Землёй, Луной или Марсом.
Поэтому рациональнее концентрировать защиту там, где она потенциально приносит наибольшую пользу.
Почему нельзя просто сделать весь корабль толстым
На первый взгляд наиболее очевидным решением проблемы радиации кажется увеличение толщины стенок космического корабля.
В действительности это быстро приводит к проблеме массы. Чтобы обеспечить значительное снижение радиационной нагрузки, потребовалось бы использовать большое количество материала. Для космического аппарата это означает дополнительную массу, которую необходимо вывести на орбиту.
При этом универсальной защиты от всех видов космического излучения не существует. Разные частицы взаимодействуют с веществом по-разному, поэтому материал и его толщина имеют большое значение.
Именно поэтому современные исследования рассматривают сразу несколько подходов: защиту самого космического корабля, использование запасов и оборудования в качестве дополнительной массы между экипажем и источником излучения, специальные убежища внутри аппарата и индивидуальные средства защиты.
NASA уже предусматривает для экипажей специальные процедуры на случай солнечного события. Астронавты могут перемещать оборудование и другие предметы хранения в определённые зоны корабля, увеличивая количество материала между собой и направлением прихода частиц.
Жилет представляет собой ещё один уровень такой защиты.
Почему жилет не нужно носить постоянно
AstroRad рассчитан прежде всего на периоды повышенной радиационной опасности.
Постоянное ношение тяжёлой защитной конструкции не является оптимальным решением. Гораздо рациональнее использовать её в момент, когда прогнозируется или уже начинается мощное солнечное событие.
Такой подход напоминает использование укрытия во время чрезвычайной ситуации. В обычный период экипаж продолжает работать без дополнительной нагрузки, а при повышении радиационной опасности переходит в защищённую конфигурацию.
Это особенно важно для будущих экспедиций, поскольку космонавтам потребуется не только выживать в космосе, но и выполнять сложные рабочие задачи. Постоянное ношение тяжёлого оборудования ограничивает подвижность и увеличивает физическую нагрузку.
Насколько тяжёлым оказался AstroRad
Испытанный во время Artemis I жилет весил около 57 фунтов, то есть примерно 26 килограммов. Для земного человека это очень большая масса, а в условиях космического полёта она не ощущается как обычный вес из-за невесомости. Однако масса остаётся важной характеристикой оборудования с точки зрения его запуска, транспортировки и размещения.
Поэтому нынешний вариант нельзя считать окончательной формой оборудования для будущих экспедиций.
Исследователи уже рассматривают способы уменьшения массы защитной конструкции. В дальнейшем необходимо сохранить достаточную эффективность экранирования при меньшем количестве материала.
Что показало моделирование солнечной бури 1972 года
Одним из наиболее интересных сценариев, использованных исследователями, стало моделирование солнечного события, сопоставимого с мощной бурей 1972 года.
Это событие произошло между двумя лунными экспедициями программы Apollo — после Apollo 16 и перед Apollo 17. Поэтому экипажи, находившиеся на Луне в рамках этих миссий, не столкнулись с ним.
Если бы подобная солнечная буря произошла во время соответствующего космического полёта, радиационная обстановка могла бы стать значительно опаснее.
На основе данных Artemis I исследователи рассчитали, что AstroRad мог бы уменьшить полученную астронавтом радиационную дозу примерно на 60% в сценарии, соответствующем событию 1972 года.
Это не означает, что жилет блокирует 60% всей космической радиации во всех условиях. Речь идёт о конкретном моделируемом солнечном событии и о дозе, которую получают защищённые участки тела.
А что показал сценарий 1989 года
Второй сценарий был связан с мощной солнечной бурей 1989 года.
Она была достаточно сильной, чтобы вызвать серьёзные нарушения в наземной инфраструктуре. Среди последствий было отключение электроснабжения в канадской провинции Квебек.
Для условий космического полёта исследователи смоделировали воздействие события сопоставимой мощности. В этом случае жилет мог снизить радиационную дозу почти на 40%.
Разница между результатами двух сценариев показывает, что эффективность защиты зависит от характеристик самого радиационного события.
Нельзя свести работу жилета к одному постоянному проценту защиты. Радиационная обстановка меняется в зависимости от энергетического спектра частиц, их количества, направления и других параметров.
Что означает снижение дозы на месяцы космического излучения
Исследователи сопоставили полученную экономию радиационной дозы с фоновым воздействием галактического космического излучения.
Для сценария 1972 года рассчитанное снижение соответствовало примерно 193 дням обычного воздействия глубокого космоса. Для события уровня 1989 года — примерно 131 дню.
Это сравнение позволяет лучше представить масштаб эффекта. Речь идёт не просто о небольшом уменьшении показаний датчиков. При экстремальном солнечном событии дополнительная защита потенциально способна убрать значительную часть радиационной нагрузки, которую организм в противном случае получил бы за очень продолжительный период.
При этом такие сравнения не означают, что жилет делает пребывание в космосе безопасным или полностью компенсирует радиационные риски. Галактические космические лучи продолжают воздействовать на экипаж, а защитные материалы не способны полностью устранить поток высокоэнергичных частиц.
Почему солнечные бури особенно опасны для будущих лунных баз
Короткие экспедиции Apollo и будущие лунные базы создают совершенно разные требования к радиационной безопасности.
Во время Apollo астронавты проводили на поверхности Луны сравнительно короткое время. Будущая программа Artemis ориентирована не только на отдельные кратковременные визиты, но и на создание условий для более продолжительного присутствия человека в районе Луны.
Чем дольше человек находится за пределами защитного магнитного поля Земли, тем важнее становится управление накопленной радиационной дозой.
Кроме того, солнечные события невозможно точно предсказать на длительный срок. Поэтому экипаж должен иметь средства защиты, которые можно быстро задействовать после получения предупреждения.
Защитный жилет в таком сценарии может использоваться как дополнительный уровень защиты наряду с укрытием и конструктивным экранированием космического корабля или лунного объекта.
Жилет может позволить экипажу оставаться мобильным
Одно из главных преимуществ индивидуальной защиты заключается в мобильности.
Если во время солнечного события единственным способом защиты является толстое стационарное укрытие, астронавты должны находиться внутри него до снижения радиационной опасности.
Индивидуальная защита позволяет сохранить большую свободу действий. Астронавт в защитном жилете потенциально может перемещаться внутри космического корабля или другого защищённого объекта и продолжать выполнять необходимые операции.
Это особенно важно в аварийной ситуации. Если солнечное событие совпадёт с проведением технических работ или другой критически важной операцией, возможность перемещения может иметь практическое значение.
Однако AstroRad не превращает внешнее пространство в безопасную среду. Выход за пределы космического корабля или лунного убежища во время сильного солнечного события всё равно связан с радиационным риском, а эффективность жилета ограничена областью тела, которую он закрывает.
Что известно о предыдущих испытаниях
Artemis I не была первым испытанием AstroRad.
До полёта к Луне прототип жилета проверяли на Международной космической станции. Там исследователи оценивали его удобство, функциональность и возможность использования в реальных условиях космической станции. Конструкция создавалась с учётом опыта защитного оборудования, применяемого специалистами, работающими в условиях радиационной опасности.
Испытание Artemis I имело принципиальное отличие: впервые систему удалось проверить во время полёта за пределами низкой околоземной орбиты, где радиационная обстановка существенно отличается от условий на МКС.
Именно поэтому данные двух манекенов стали особенно ценными.
Почему AstroRad не использовали на Artemis II
Первая пилотируемая миссия Artemis — Artemis II — стала следующим важным этапом программы после беспилотного Artemis I.
Однако AstroRad не отправлялся с экипажем Artemis II. Среди причин называлась ограниченная продолжительность этой миссии — около 10 суток — и ограниченное пространство внутри космического корабля.
Это не означает отказ от технологии.
Наоборот, результаты моделирования после Artemis I делают её потенциально полезной для будущих более продолжительных миссий, когда экипаж будет проводить значительно больше времени в пространстве за пределами низкой околоземной орбиты.
Радиация — это не только солнечные вспышки
Важно не смешивать различные источники космической радиации.
Солнечные частицы могут резко увеличить радиационную нагрузку во время отдельных событий. Но даже при спокойном Солнце экипаж, находящийся далеко от Земли, продолжает подвергаться воздействию галактических космических лучей.
Это очень энергичные частицы, которые приходят из-за пределов Солнечной системы. Их нельзя просто «выключить» или полностью заблокировать относительно тонким слоем материала.
Кроме того, экипажу приходится учитывать прохождение радиационных поясов Ван Аллена при полёте от Земли к Луне.
Поэтому защита от радиации должна быть комплексной. Один жилет не решает проблему целиком.
Что происходит с радиацией внутри материала
Принцип радиационного экранирования заключается в том, что заряженные частицы взаимодействуют с веществом и теряют энергию.
Но выбор материала имеет большое значение. Для защиты от некоторых высокоэнергичных частиц использование очень тяжёлых элементов не всегда является оптимальным решением. При взаимодействии частиц с материалом могут возникать вторичные частицы, которые тоже способны воздействовать на организм.
AstroRad использует специальный материал на основе богатого водородом пластика. Такой подход позволяет создавать защиту без необходимости применять исключительно тяжёлые металлические материалы.
Именно поэтому современная радиационная защита — это не просто вопрос максимальной толщины стенки. Необходимо учитывать физику взаимодействия разных типов частиц с конкретными материалами.
Почему особенно защищают женский организм
В конструкции AstroRad особое внимание уделено органам, которые чувствительны к радиационному воздействию, включая грудь и яичники.
Исследователи отмечают, что женщины в среднем могут иметь более высокий риск некоторых радиационно-индуцированных онкологических последствий. Поэтому защита чувствительных тканей имеет особое значение при планировании смешанных экипажей будущих лунных и марсианских миссий.
Именно поэтому один из манекенов Artemis I был выполнен в виде женского тела. Зохар носила жилет, а Хельга использовалась для сравнения.
При этом сама система предназначена не исключительно для женщин. Принцип защиты чувствительных органов применим к человеку независимо от пола, хотя распределение радиочувствительных тканей и соответствующие требования к защите могут различаться.
Почему результаты Artemis I нельзя считать прямым доказательством безопасности для человека
Самое важное ограничение эксперимента состоит в том, что на борту Artemis I не было людей.
Зохар и Хельга были антропоморфными манекенами, созданными для измерения радиационного воздействия. Их задача заключалась в имитации человеческого тела с точки зрения распределения датчиков и взаимодействия радиации с тканями и материалами.
Поэтому результаты показывают, как изменяется радиационная нагрузка внутри конструкции манекена при использовании жилета. Они не являются прямым медицинским экспериментом на человеке.
Кроме того, Artemis I не попала под мощную солнечную бурю. Сценарии 1972 и 1989 годов были смоделированы на основе реальных измерений радиационной среды, полученных во время миссии.
Именно поэтому цифры около 60% и 40% следует понимать как результаты моделирования для конкретных экстремальных событий, а не как универсальные характеристики жилета при любых условиях.
Что будет дальше
Разработчики и исследователи рассматривают несколько направлений совершенствования технологии.
Одно из них — уменьшение массы жилета. Около 26 килограммов остаются значительной массой для оборудования, которое необходимо доставлять в космос.
Другое направление связано с созданием защитных материалов непосредственно во время космических миссий. Исследователи рассматривают возможность использования материалов, доступных на борту, и даже изготовления некоторых компонентов защитных конструкций с помощью аддитивных технологий.
Такой подход особенно интересен для будущих полётов к Марсу. Доставлять с Земли всё необходимое количество защитного материала для многолетней экспедиции крайне дорого и сложно. Если часть радиационной защиты удастся производить или создавать из ресурсов, доступных на месте, это может уменьшить требования к грузу миссии.
Для Марса проблема станет ещё сложнее
Лунная экспедиция и полёт к Марсу — не одно и то же с точки зрения радиационной безопасности.
Путь до Луны занимает относительно короткое время. Марсианская экспедиция потребует значительно более продолжительного пребывания человека в межпланетном пространстве. Экипаж будет постоянно подвергаться воздействию галактических космических лучей и должен будет пережить возможные солнечные события.
Поэтому индивидуальный защитный жилет может быть лишь одним элементом гораздо более сложной системы.
Космический корабль должен иметь защищённые зоны, в которых экипаж сможет укрыться во время мощной солнечной бури. Материалы и оборудование необходимо размещать таким образом, чтобы они дополнительно экранировали жилые помещения. Необходимо постоянно отслеживать солнечную активность и иметь возможность заранее перевести экипаж в более защищённую конфигурацию.
На поверхности Луны или Марса аналогичная система должна учитывать местные условия и особенности самого поселения.
Artemis I показала, что индивидуальная защита может работать
Главный результат исследования заключается не в том, что найден способ полностью защитить астронавтов от космической радиации.
Такого решения пока нет.
Значение работы в другом: реальный полёт Artemis I позволил получить данные о радиационной обстановке за пределами низкой околоземной орбиты, а сравнение двух манекенов показало потенциальную эффективность индивидуального экранирования.
В моделировании сильной солнечной бури уровня 1972 года жилет мог снизить радиационную дозу примерно на 60%, а для события уровня 1989 года — почти на 40%. При этом он защищает прежде всего наиболее чувствительные органы и предназначен для использования во время периодов повышенной солнечной активности.
Для будущей лунной базы такая технология может стать дополнительным средством защиты экипажа. Для марсианских экспедиций необходимость радиационной защиты будет ещё выше из-за значительно большей продолжительности полёта.
Таким образом, эксперимент Artemis I дал практические данные для одного из наиболее сложных вопросов будущей пилотируемой космонавтики. Защита человека от радиации за пределами магнитного поля Земли потребует сочетания разных методов, и персональный защитный жилет может стать одним из них.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
Эта важная новость которая поможет нынешним и будущим космонавтам. Результат надеюсь увидим скоро.