Радиоактивный космос
Специально для тех, кто боится радиации, особенно космической.
Если пугает космическая радиация - не смотрите на северное сияние.
Начнём с американцев - в полёте на Луну они пролетели через радиационные пояса Земли, считали вспышки в голове при попадании тяжелых частиц, работали на поверхности Луны, у которой нет магнитосферы. После этого первый человек на Луне прожил до 82 лет.
Чем опасна радиация и как с ней жить?
В целом - это поток заряженных частиц. Данный поток прошивает тело человека и в случайном порядке повреждают белковые молекулы и ДНК в клетках. Клетки перестают правильно работать и погибают, а органы накопив критический процент таких клеток отказывает.
Доза радиации показывает сколько повреждений в клетках получено.
(Оговорюсь сразу - можно поесть иода-131 или углерода-14, тогда он заменит нормальные изотопы, из которых состоят организмы и будут «фонить» уже внутри молекул)
Поэтому можно получить всю дозу сразу, а можно долго, но по-немногу.
Как пример - ликвидация аварии ЧАЭС.
Но это другая история.
Условно, космическую радиацию для космонавтов можно разделить на 2 части:
- в радиационных поясах планет;
- от космических лучей (галактические, внегалактические и от солнца).
Соответсвенно, это зоны при отлёте от планет с магнитосферой и при межпланетных перелетах.
Начнём с космических лучей.
Кадр из «Звездных войн».
По сути это поток высокоскоростных частиц, образованных при взрывах сверхновых и прочих космических событий. Из всего потока наиболее опасны - это протоны (92%) и электроны (1%), с высокой энергией. Остальное - это ядра гелия (и прочих частиц) и нейтроны, которых там мало.
На самом деле, космические лучи можно даже «увидеть» - если лететь в корабле с тонкой обшивкой, то периодически будут происходить вспышки в глазах (даже закрытых) - предположительно, это протон влетел и разрушил пару клеток/нейронов.
В целом, галактические лучи равномерно распределены в пространстве, поэтому будут лететь в корабль со всех сторон. Защищаться с одной стороны смысла нет.
Теперь, про радиационные пояса планет.
Картинка для общего понимания процессов.
Если упростить процесс - космические лучи (в основном солнечный ветер) попадают в магнитную ловушку земли и формируют относительно устойчивые области с повышенной концентрацией частиц в пространстве.
При этом радиация там всего в 100 раз выше, чем на МКС. Дозу, которые космонавты получают за полгода командировки, в радиационнном поясе, они схватят за 2 дня (это при условии пропорциональной защиты)
Но не так все страшно, как, на первый взгляд, кажется.
Основная характеристика это энергия.
Есть два способа борьбы с космической радиацией:
- активный - летим быстро, чтобы получить норму по излучению, и вылетаем/садимся на планеты в район магнитных полюсов по орбитам с высоким наклонениям (облетая радиационные пояса планет);
- пассивный: это установка «брони» на корабль (увеличение толщины обшивки).
Броня кораблю никогда не помешает, а постепенное совершенствование двигателей будет приводить к сокращению времени полёта.
Как полностью бороться с такими частицами «броней»?
Есть такая характеристика, как пробег протонов и электронов в веществе.
Наиболее оптимальным для экранирования считается алюминий.
Приведу таблицу по эффективной дистанции пробега протонов и электронов.
Теперь, чтобы понять от чего можно защититься в реальности нужно определиться с распределением энергии частиц и тем, какую толщину «брони» можем обеспечить.
Для расчетов возьмем Starship SpaceX и его характеристики с сайта компании:
- масса выводимой на НОО нагрузки 100 тонн (это используем чуть позже);
- габариты отсека - диаметр 9м, длина 18 м.
Используя габариты, получаем цифру площади поверхности жилого отсека - 415 м2.
Если вместо целевой нагрузки, запустить Starship с обшитыми алюминием стенками жилого отсека, то получим (100000 кг / 415 м2 / 2800 кг/м3) 86 мм.
Можно запустить Starship со всем оборудованием, а на орбите вставить панели в жилые отсеки.
При этом Starship - довольно удобный корабль.
Картинка из интернета для понимания степени комфорта.
Смотрим от чего можно защититься броней 8.6 см:
- протоны с энергией до 200 МэВ;
- электроны с энергией до 500 МэВ.
Вот график интенсивности потока в зависимости от энергии частиц.
Как видно, радиационный пояс земли, солнечный ветер, солнечные вспышки и практически все солнечные лучи, становится практически безопасным (остается высокоэнергетическая часть СКЛ), при наличии на борту 100 тонн алюминия для 900 м3 объема.
Возникает проблема с галактическими лучами.
И если возможности защиты заканчиваются на 1 ГэВ, то энергия галактических лучей тут только начинается.
Если в условия колонизации планет и спутников эта проблема решается насыпью грунта в несколько метров, в зависимости от его состава, то защитить корабль уже не получится.
Соответсвенно, эти частицы будут пробивать обшивку насквозь вместе с человеком.
И тут вопрос в их количестве.
Тут я не понимаю, как получается 1 частица в год при 10^-13. По идее, должно быть 3х10^-7, в дальнейшем буду этого придерживаться.
Если вы летали в самолёте, то при большом везении поймали в себя пару высокоэнергетический частиц из средней части графика, либо «осколков» молекул воздуха, которые были ей образованы.
Тут важно заметить, что магнитное поле Земли не может отклонять высокоэнергетические частицы галактических лучей.
Частицу с энергией 10^11 МэВ (10^17 эВ) за полёт до Титана можно уже и не поймать. Начиная с этой энергии вклад в общую дозу радиации практически не учитывается и является делом теории вероятности.
Вероятность попадания частицы с энергией 10^19 МэВ в область головы человека (такая частица проходит раз в год через площадь в 1 км2) за 3-х летний полёт составляет в 0.000054% (примерно 1 к 1 900 000).
Тут важно заметить, энергия частицы, а следовательно и доза будет получена полностью, если частицы остановятся при проходе через тело человека (см. Эффект Брегга). Но даже частица в 1 ГэВ уже прошивает алюминий толщиной в 1,5 метра (по массе брони эквивалентно основному бронепоясу линкора), а это только начальная энергия частиц ГКЛ. Таким образом, лишь малая часть энергии частиц переходит в радиационную дозу, поглощенную человеком.
Чтобы не проделывать отдельную научную работу, для подсчета поглощённых доз, воспользуемся следующей статьей:
Безродных И.П. ИКИ РАН
«Факторы космического пространства, влияющие на исследования и освоения Луны».
Приведу интересующий график.
1 рад = 0.01 Зв
Тут выбран минимум солнечной активности, так как в это время получается максимум галактических лучей.
Стоит заметить, что с увеличением толщины защиты - протоны начинают «выбивать» вторичные частицы, увеличивая радиационное поражение, образуется аналог ШАЛ (широкий атмосферный ливень).
Толщины защитного экрана 86 мм это примерно 24 г/см2. Таким образом, при полете в космическом корабле при максимальном потоке ГКЛ, получим около 10 рад/год или 0.1 Зв/год.
Главный вопрос: сколько «бомбардировок» выдержит человеческое тело?
250 мЗв - предел для ликвидаторов ЧАЭС.
1 Зв - профессиональный предел для космонавтов (официального подтверждения цифры не нашёл).
Получаем, что космонавт сможет летать 10 лет, а обычный человек (турист, рабочий) только 2.5 года, а дальше списание по полученной дозе облучения.
10 лет полетов - это 12 рейсов на Марс и 12 обратно (если длительность по 150 дней).
В итоге:
- для полетов в космосе необходимо снабжать корабли радиационной защитой, минимум в 8 см алюминия для защиты от основной массы солнечных лучей;
- защититься от галактических лучей разумным техническим методом нельзя (либо метры брони, либо искусственное магнитное поле, в разы сильнее земного);
- для снижения получаемой дозы, необходимо увеличивать скорость космических полётов;
- в перспективе нужны медицинские наработки по борьбе с радиацией.
PS:
В посте могут быть неточности в цифрах, но они не меняют принципиальной сути вещей космической радиации и защиты от нее.
Если есть космические радиационные профессионалы, прошу при прочтении не ломать девайсы в порыве гнева, а поправить по сутевой части.
