Невидимая угроза на пути к другим планетам: что такое космическая радиация и как от нее защититься

Для освоения дальнего космоса человечеству недостаточно построить мощные ракеты и вместительные корабли — регулярные пилотируемые полеты к другим планетам станут возможны только тогда, когда люди научатся защищаться от космической радиации. О природе этого явления, его воздействии на электронику и человеческий организм, а также о том, как космическую радиацию изучают на МКС, чтобы подготовиться к полету на Марс, Vokrugsveta.ru рассказал популяризатор космонавтики, научно-популярный писатель и автор блога «Открытый космос Зеленого кота» Виталий Егоров.

Что такое радиация

С точки зрения физики, радиация — это любое излучение во всех диапазонах электромагнитного спектра и потоки заряженных частиц. Ваш смартфон излучает радиоволны, батарея в доме — тепло, лампа на столе — видимый свет. Для физика все это примеры радиации. Но на бытовом уровне радиацией принято называть ионизирующее излучение, способное повреждать или вовсе разрушать отдельные атомы и молекулы. Именно таким образом высокоэнергетическое ионизирующее излучение незаметно наносит вред здоровью.

Существует несколько видов ионизирующего излучения: альфа-лучи (потоки положительно заряженных ядер атомов гелия), бета-лучи (потоки электронов и позитронов, образованных при распаде нейтронов и протонов соответственно), рентгеновские и гамма-лучи (и те, и другие представляют собой электромагнитные волны — потоки фотонов), а также нейтронное излучение (потоки быстрых нейтронов). Наконец, к радиации (далее мы в основном будем использовать этот термин, понимая под ним ионизирующее излучение) относятся потоки других элементарных частиц и осколков атомных ядер.

Основными естественными источниками радиации на Земле являются газ радон, который выделяется из недр планеты, а также горные породы, содержащие уран и другие радиоактивные элементы. Искусственные источники — медицинские обследования, включая рентгенографию, а также ядерные испытания и аварии на ядерных объектах.

Универсального способа защиты от радиации не существует. Если говорить о радиации от земных источников излучения, то альфа-частицы способен остановить даже лист бумаги, а бета-частицы — плотная одежда или стекло. От гамма-лучей нужно защищаться слоем свинца или железа, а от нейтронного излучения — толстым слоем воды или бетона.

Что такое космическая радиация и откуда она берется

Если на Земле радиации относительно немного, то в космосе все иначе. Крайне разреженная среда позволяет высокоэнергетическим частицам и электромагнитному излучению беспрепятственно преодолевать пространство с околосветовой скоростью. При этом космос буквально переполнен различными видами ионизирующих излучений. Ближайшим к Земле их источником является Солнце, которое выбрасывает заряженные частицы (солнечный ветер) и фотоны высоких энергий постоянно и спорадически — во время солнечных вспышек, солнечных протонных событий (радиационных штормов) и корональных выбросов массы.

Но это еще полбеды, ведь, кроме солнечных, существуют галактические космические лучи, состоящие преимущественно из протонов и высокоэнергетических атомных ядер. Их источниками служат прежде всего остатки сверхновых, а также квазары, слияния нейтронных звезд и аккреционные диски черных дыр.

Людей от космической радиации (как солнечной, так и галактической) оберегают сразу два надежных щита: магнитное поле Земли, которое отклоняет заряженные частицы слабой и средней энергии, и ее атмосфера, рассеивающая и поглощающая электромагнитное излучение и тяжелые заряженные частицы не хуже, чем 10-метровый слой воды или метровый слой свинца. Без этих «планетохранителей» Земля была бы похожа на безжизненные и постоянно бомбардируемые галактической и солнечной радиацией Луну и Марс и, подобно им, выбрасывала бы вторичную радиацию.

Правда, магнитное поле, защищая Землю от радиации, одновременно создает вокруг планеты сразу два радиационных пояса толщиной в несколько тысяч километров — внутренний, который состоит в основном из протонов и внешний, в котором больше электронов. Открытые в конце 1950-х, они получили названия пояса Ван Аллена — в честь американского астрофизика Джеймса Ван Аллена. Внутренний пояс в значительной степени формируется из частиц, выбитых при столкновении космических лучей с атомными ядрами в верхних слоях атмосферы, тогда как внешний преимущественно состоит из частиц солнечного ветра.

Нельзя сказать, что космическая радиация совсем не достигает Земли — на нее приходится порядка 10–20% обычного среднегодового облучения наших организмов, которое не несет угрозы для здоровья и составляет, по наиболее распространенным оценкам, 3–4 миллизиверта в год. Полученная доза космической радиации повышается, оставаясь в пределах нормы, у тех, кто часто летает на самолетах, а вот космонавтам на орбите, лишенным атмосферного «щита» и время от времени оказывающимся у нижней границы внутреннего пояса Ван Аллена, приходится уже не так сладко.

Чем опасна космическая радиация и как от нее защититься

Не всякая космическая радиация представляет серьезную угрозу для здоровья. Например, гамма-излучения в космосе мало, а материалы, из которых сделаны корабли и орбитальные станции, способны эффективно задерживать его, а также альфа- и бета-частицы. При этом эффективность защиты зависит от энергии частиц. Некоторые космические процессы выступают в роли мощнейших ускорителей частиц, поэтому даже «безопасные» альфа-частицы способны преодолевать защиту корпуса космического корабля, а плотный поток электронов, ударяющий в борт, может порождать вторичное тормозное рентгеновское излучение внутри корабля или станции.

Главную же опасность для здоровья и электроники в космосе представляют высокоэнергетические протоны и ядра атомов более тяжелых элементов: от углерода до железа.

В рамках изучения возможности межпланетных полетов на Земле провели немало исследований воздействия космической радиации на живые организмы. Результаты их были неутешительны — например, эксперименты на облучаемых мышах привели к повреждению и деградации мозга или почек подопытных. Но в таких исследованиях невозможно точно сымитировать энергетический спектр космической радиации, с которой придется столкнуться экипажу корабля во время гипотетического длительного перелета.

Радиация на околоземной орбите

В среднем на низкой околоземной орбите, где находится МКС, уровень космической радиации примерно в 50 раз выше, чем на Земле, но она все равно не представляет серьезной угрозы для здоровья космонавтов и астронавтов, работающих на орбитальной станции, поскольку время их пребывания на ее борту и количество полетов в космос ограничены. Так, по данным NASA, за полугодовую экспедицию на МКС астронавт получает дозу радиации в 80–160 миллизивертов. Для сравнения, сотрудникам атомных электростанций «положено» получать не более 50 миллизивертов каждый год.

Двукратный разброс приведенной величины облучения на орбите связан с солнечной активностью. Хотя это может показаться странным, в период высокой активности, когда на Солнце происходит много вспышек, люди на МКС получают заметно меньшую дозу радиации. Дело в том, что солнечное излучение, будучи достаточно плотным, имеет относительно невысокую энергию, поэтому большая его часть поглощается материалами космических кораблей и орбитальных станций. При этом сильный солнечный ветер становится защитой от куда более опасного галактического излучения, высокоэнергетические частицы которого способны прошить навылет и космический корабль, и человека в скафандре во время выходов в открытый космос.

Радиация в межпланетном пространстве

Во время полета к Луне или Марсу уровень космической радиации возрастает где-то в четыре раза по сравнению с МКС — то есть, становится примерно в 200 раз выше земного. Правда, нужно иметь в виду, что эта оценка базируется на данных дозиметрических исследований автоматических межпланетных станций. Реального же длительного воздействия межпланетной радиации на человека, которое позволило бы определить степень ее губительности, еще не было.

До сих пор далекие полеты совершали только участники американской лунной программы «Аполлон», но их экспедиции длились не более двух недель — значительной дозы радиации в полете и на поверхности Луны астронавты получить не успели.

А что насчет Марса? Если опираться не имеющиеся данные, то получается, что полугодовые полеты к Марсу и обратно обернутся для человека облучением в 600 миллизивертов — солидно, но заметно ниже предельной для астронавта дозы в 1 зиверт (1000 миллизивертов) за карьеру. И это без учета возможных мер защиты от космической радиации. Хотя даже с ними полет к Марсу, скорее всего, станет последним в карьере его участников во избежание серьезных проблем со здоровьем.

Как защититься от космической радиации на МКС и в межпланетном перелете

На МКС сейчас применяются разные методы защиты членов экипажа от радиации. В экспериментах, проводившихся на российском сегменте станции в последние годы, эффективно показали себя обычные влажные салфетки, которыми можно с успехом «экранировать» космонавтов в каюте.

Но основной защитой остается сама станция. Так, во время солнечных протонных событий члены экипажа укрываются в самых безопасных уголках. Скажем, в российском модуле «Звезда» лучше всего от радиации защищено пространство у обеденного стола — благодаря двигательной установке, которая расположена снаружи. А хуже всего в той же «Звезде» защищен рабочий пост, где космонавтов от внешней среды отделяют лишь тонкие стенки модуля. В общем, практика на МКС лишний раз подтверждает известное правило, что для здоровья полезнее держаться подальше от работы и поближе к кухне.

Ученые из разных стран активно ищут новые методы защиты человека от радиации в дальнем космосе. Существуют продукты и медикаменты, которые позволяют снизить опасный биологический эффект облучения. Чаще всего эти вещества — антиоксиданты — противостоят свободным радикалам, которые возникают в организме в результате облучения и повреждения молекул. Ведутся также исследования препаратов, уменьшающих вызванные радиацией повреждения ДНК.

Но надежнее не бороться с последствиями воздействия радиации, а предотвращать его с помощью внешней защиты. Тяжелый свинец в космос не возьмешь, но он там и не нужен — поглощать космическую радиацию способны легкие материалы вроде полиэтилена. Подойдут и водород, кислород или углерод, которые дают меньше вторичной радиации.

Однако из-за ограниченности полезной нагрузки корабля в дальнем перелете проще всего использовать в качестве защитного слоя подручные материалы: запасы топлива, воды, еды, и прочего оборудования, те же влажные салфетки в большом количестве. Заодно можно попытаться сократить время перелета к тому же Марсу хотя бы на месяц-другой — топлива для этого потребуется больше, но члены экипажа получат заметно меньшую дозу радиации.

Что же касается поясов Ван Аллена, то они не представляют серьезной угрозы для космонавтов — сквозь них нужно просто пролетать побыстрее и в самом «тонком» месте, для надежности подставив под поток заряженных частиц двигательный отсек и баки с топливом. То же самое можно делать и для защиты от солнечных вспышек, чтобы необитаемые части корабля поглощали часть космической радиации. Более того, как уже упоминалось, Солнце в периоды повышенной активности может стать союзником и в дальнем перелете.

Возможно, когда-нибудь космические корабли обзаведутся собственными магнитными щитами, которые будут действовать подобно магнитному полю Земли, но для этого нужно сперва создать мощные источники энергии типа космического ядерного реактора — появления таких технологий в ближайшее время ожидать не стоит.

Однако защищаться от радиации нужно не только в космосе, но и во время пребывания на других планетах, лишенных атмосферы и магнитного поля. Речь пока что идет о Луне и Марсе.

Методы защиты от космической радиации на Луне и Марсе

Радиацию на Луне изучали в конце 1960-х — начале 1970-х годов в рамках американской космической программы «Аполлон», затем в 2010-е: с орбиты с помощью спутника LRO и на поверхности, где измерения проводил китайский аппарат «Чанъэ-4». На Марсе тем же занимались американские аппараты. Выводы получились разные: при низкой солнечной активности человеку на Луне грозит облучение примерно в 500 миллизивертов за земной год, а на Марсе, с его разреженной атмосферой, — 250 миллизивертов. Правда, чтобы слетать на Марс и вернуться обратно по оптимальной траектории, потребуется провести на Красной планете около 600 дней — за это время полученная доза превысит 400 миллизивертов.

Существенно снизить воздействие космической радиации на организм во время пребывания на Луне или Марсе позволит хорошая защита обитаемого модуля вкупе с редкими вылазками за его пределы. Лучше всего, если гипотетическая база будет расположена под слоем лунного или марсианского грунта. На Луне же идеальным решением будет размещение всей необходимой инфраструктуры в обнаруженных на спутнике пещерах, где и радиация не страшна, и температура близка к комфортной.