Освоение Марса и Луны давно вышло за рамки научной фантастики — космические агентства уже тестируют двигатели и учат роботов строить убежища на других планетах. Но по мере приближения реальных пилотируемых миссий становится ясно: главная угроза для астронавтов — не в марсианском грунте, а в космосе, где нет атмосферы и магнитного поля, способных защитить от смертельно опасной радиации.
За пределами атмосферы и магнитного поля Земли экипаж сталкивается с космическим излучением — потоком частиц, способных повредить клетки, ДНК и внутренние органы. По расчетам NASA, при полете на Марс суммарная доза облучения достигает 1 Зв — это в 300 раз больше средней годовой на Земле. Такая нагрузка повышает риск рака на 20% и вызывает необратимые повреждения мозга.
Как сделать так, чтобы человек пережил полет длиной в несколько месяцев, а затем — годы на поверхности планеты, постоянно подвергаясь облучению? Ученые ищут ответы на этот вопрос в самых разных направлениях. Они предлагают окутывать корабли магнитными щитами, редактировать ДНК или даже выращивать симбиотических микробов, которые защитят организм изнутри. В этой статье — все самое перспективное и странное из мира радиационной защиты будущего.
Что такое космическое излучение и чем оно опасно для человека
Основных источника два: галактические космические лучи (GCR) и солнечные протонные события (SPE). GCR — это высокоэнергетичные ядра атомов, пришедшие из-за пределов Солнечной системы, чаще всего от взрывов сверхновых. Они отличаются большой проникающей способностью. SPE возникают при солнечных вспышках и несут шквал заряженных частиц, особенно протонов.
На Земле нас защищают:
- атмосфера — она рассекает и замедляет частицы до безопасного уровня;
- магнитосфера — отклоняет большую часть заряженного потока, создавая вокруг планеты своего рода радиационный пузырь;
- радиационные пояса Ван Аллена — дополнительный барьер, который захватывает частицы и не дает им достигнуть поверхности нашей планеты.
На орбите, например, на МКС защита ослабевает, а за пределами магнитосферы ее нет совсем. Космическая радиация относится к ионизирующему излучению — она выбивает электроны из атомов, разрушает молекулы воды в тканях и повреждает ДНК. Это может привести к таким последствиям:
- мутациям и онкологическим заболеваниям;
- катаракте и сердечно-сосудистым нарушениям;
- ухудшению когнитивных функций;
- ослаблению иммунной системы.
Поэтому защита от радиации — один из главных барьеров на пути к дальнему космосу.
Как защищаются от радиации на МКС и в краткосрочных миссиях
Для дальних миссий, например, полет к Марсу, нужна более мощная защита. А вот что используется на МКС:
Пассивация — экранирование материалами
На МКС не используют свинец, который может защищать от гамма-излучения: он слишком тяжелый для выведения в космос. Вместо него применяют более легкие материалы с высоким содержанием водорода. Они эффективно поглощают протонное и нейтронное излучения. Среди них довольно привычные для нас материалы:
- полиэтилен — особенно эффективен против галактических космических лучей;
- пластики и вода — воду одновременно используют как защиту и ресурс;
- комбинированные композиты — с включением бора и других веществ.
Некоторые поверхности обшивки станции укрепляют модулями с такими материалами.
Мониторинг и активные меры
На станции постоянно отслеживают уровень радиации. Для этого используют приборы вроде дозиметров RADI-N и Radiation Area Monitors. Если зафиксирована солнечная вспышка или протонная буря, экипаж получает сигнал тревоги и переходит в укрытие. В некоторых случаях меняют орбиту станции, чтобы уменьшить воздействие частиц — например, избежать пояса Ван Аллена.
Зоны укрытия
На МКС предусмотрели участки с повышенной защитой — радиационные убежища. Это, как правило, грузовые модули с баками воды, кладовками или отсеками с максимальной толщиной стен. Во время вспышек на Солнце экипаж переходит именно туда. NASA также рассматривает возможность использования мобильных защитных капсул в будущих миссиях.
Почему традиционная защита не годится для полетов на Луну и Марс
Методы радиационной защиты, которые применяют на МКС, малоэффективны в дальних межпланетных миссиях. Все дело в продолжительности полета, отсутствии естественных защитных факторов и строгих ограничениях по массе.
Среди основных проблем ограничения по весу — плотные материалы для экранирования вроде свинца или воды много весят. А доставка тяжелых конструкций в межпланетное пространство крайне затратна. Один дополнительный килограмм массы в миссии на Марс — это тысячи долларов.
Такие экспедиции занимают много времени — экипаж на МКС получает 0,3 — 0,6 Зв за 6 месяцев. А при полете на Марс космонавты будут находиться под действием радиации более года. По расчетам NASA, суммарная доза может превысить 1 Зв — это уже приближается к верхним границам допустимой дозы на всю карьеру астронавта.
Землю защищают магнитосфера и плотная атмосфера, которые блокируют большую часть космического излучения. Но атмосфера того же Марса слишком разреженная и не может эффективно экранировать радиацию. В ней содержится менее 1% от земного давления. К тому же на красной планете нет зон, куда можно было бы спрятаться во время радиационных бурь.
Кроме того, галактические космические лучи содержат тяжелые ионы высокой энергии, которые проникают даже сквозь толстые преграды. От них трудно защититься традиционными средствами.
Перспективные технологии радиационной защиты
В будущем люди планируют полеты к удаленным уголкам Вселенной, например, на Марс и Луну. А значит, понадобятся более серьезные методы защиты. Поэтому сейчас разрабатывают новые технологии, которые обеспечат более высокую степень безопасности. Расскажем подробнее о таких концептах.
Водородсодержащие материалы
Полиэтилен и другие водородные композиты эффективны против космических протонов. NASA и ESA думают о создании водных стенок — гибких резервуаров с водой, размещенных вдоль стен корабля или вокруг спальных отсеков. Например, в проекте Radiation Storm Shelter от NASA разрабатывают временные убежища из мешков с водой.
Активная защита
Ученые всего мира исследуют магнитные и электростатические поля, способные отклонять заряженные частицы. В рамках программы Innovative Advanced Concepts от NASA рассматривают проект искусственной магнитосферы от исследовательской группы под руководством Рут Бамфорд. Также ведутся исследования по генерации электростатического барьера — Active Radiation Shielding.
Использование местных материалов
Исследования показывают, что марсианский реголит эффективно экранирует радиацию. Компания AI SpaceFactory разработала концепт Marsha — жилого модуля из смеси базальта и биополимера, напечатанного прямо на Марсе. Также проект 3D-Printed Habitat Challenge (NASA) предполагает печать стен укрытий из реголита толщиной 2−3 метра.
Биотехнологические решения
Специалисты также думают об использовании радиопротекторов — соединений, повышающих устойчивость организма к радиации. Компания Epigen Biosciences работает над такими препаратами.
Кроме того, обсуждают возможность генной инженерии. Например, внедрение космонавтам генов от радиоустойчивых организмов вроде бактерии Deinococcus radiodurans. Также рассматривают технологии самовосстановления тканей, которые разрабатывает DARPA в рамках программы «BioMolecular Restoration».
Без защиты не будет полета
Космическая радиация — не абстрактная угроза. Это один из самых серьезных факторов риска при освоении дальнего космоса. Астронавты подвергаются воздействию ионизирующего излучения с эффективной дозой от 50 до 2000 мЗв. А 1 мЗв ионизирующего излучения эквивалентен примерно 10 рентгеновским снимкам грудной клетки.
Для полета на Марс или создания базы на Луне понадобится новый подход. Легкие, но эффективные материалы, активные системы защиты, использование местных ресурсов и даже вмешательство в биологию человека. Все эти технологии уже разрабатываются — от магнитных щитов до биоинженерии на базе бактерий Deinococcus radiodurans.
Освоение дальнего космоса невозможно без радиационного щита — химического, физического или даже генетического. Пока мы только ищем способы его построить, и космос остается враждебной средой.
Из нашего другого материала вы можете узнать, как плутоний-238 греет зонды на краю Солнечной системы.
