Космическая радиация в полёте на Марс⁠⁠

Часто можно встретить суждения, что полёт на Марс опасен или невозможен из-за космической радиации. Это даже стало темой для шуток, но подобное продолжают высказывать вполне авторитетные люди, от космонавтов до президентов. В то же время данные опасения не останавливают мечтателей, желающих построить марсианскую ракету или планирующих переезд. Что же нам известно о радиационной опасности марсианских полётов?

На сегодня имеется крайне ограниченный опыт пилотируемых полётов людей в межпланетном пространстве. Только двадцать четыре человека совершали экспедиции за пределы земной магнитосферы в программе Apollo, но длительностью не более двух недель. На Марс же лететь около полугода в одну сторону. Поэтому сегодня источником знаний о радиационных угрозах у других планет выступают исследования на борту околоземной Международной космической станции, немногочисленная статистика лунных полётов, дозиметрические измерения на межпланетных зондах, наземные эксперименты на животных и оценки по математическим моделям.

▍ Кратко о космической радиации

Радиацией называют ионизирующее излучение, которое в космосе испускается во время событий, связанных с выделением энергии: процессы на Солнце, взрывы сверхновых, аккреционные диски чёрных дыр, выбросы квазаров… По физическим свойствам радиацию можно разделить на фотонное излучение — рентген и гамма-лучи; и корпускулярное излучение — электроны, протоны, альфа-частицы, тяжёлые заряженные частицы, вторичные нейтроны. По источнику, космическое излучение разделяется на солнечное и галактическое (включая внегалактическое).

Разделение этих типов излучения крайне важно для понимания специфики межпланетных полётов. Например, в земной атомной энергетике приходится учитывать прежде всего гамма и нейтронное излучение. В космосе же гамма незначительна, а нейтроны возникают только от взаимодействия космических лучей с атмосферой, грунтом или корпусом корабля. Зато в открытом космосе наиболее опасными частицами оказываются протоны (ядра атома водорода), альфа (ядра атома гелия) и ядра атомов более тяжёлых элементов.

У Земли есть ещё радиационные пояса, но стартующий на межпланетные орбиты корабль пересекает наиболее опасную их часть всего за полчаса, поэтому в контексте длительных полётов ими можно пренебречь.

При оценке радиационного воздействия сейчас обычно оперируют двумя единицами: в греях измеряется энергия поглощённого излучения, а в зивертах — биологический эквивалент этого излучения. Разница между ними в факторе, имеющем прекрасное название «коэффициент качества». Он означает насколько пагубное для организма воздействие оказывает радиация. Для примера, одинаковая в греях доза гамма излучения и нейтронного излучения в зивертах будет различаться до двадцати раз — нейтроны намного опаснее, т.е. выше их коэффициент качества.

▍ Откуда мы знаем о межпланетной радиации?

В космонавтике применяется несколько разных методов регистрации радиации, одни показывают фон в реальном времени, а другие накапливают воздействие и позволяют оценить суммарную дозу. Например советские лунные «Зонды» несли на борту т.н. «ядерные фотоэмульсии» — чувствительную к радиации фотоплёнку, проявление которой позволяло оценить дозу, накопленную внутри спускаемого аппарата корабля. Астронавты Apollo носили на теле активные дозиметры на основе газоразрядной камеры, и пассивные термолюминесцентные и полимерные детекторы. Сейчас на МКС и лунных аппаратах чаще всего запускают полупроводниковые кремниевые детекторы.

Радиацию у Луны и на Луне принялись изучать ещё до пилотируемых полётов. Так, первая успешно севшая автоматическая станция «Луна-9» несла на борту счётчик Гейгера, орбитальная «Луна-10» также несла несколько детекторов для разных типов излучения. Американцы тщательно регистрировали радиационные условия по пути на Луну и возле неё в 1966-67 гг в многомесячных наблюдениях на пяти аппаратах Lunar Orbiter.

Дозиметрические исследования велись и на орбитальных аппаратах нашего века. Индийцы считали дозу болгарским дозиметром на аппарате Chandrayaan 1 в 2008 году. NASA пять лет собирала данные дозиметром на аппарате LRO. Год назад свои результаты с поверхности Луны опубликовали и китайцы.

По пути на Марс и около него космическое излучение изучалось американским прибором RAD на марсоходе Curiosity, и российско-болгарским прибором на европейском орбитальном зонде ExoMars.

Ещё дальше залетела автоматическая межпланетная станция Rosetta. Она пролетала и рядом с Марсом и улетала до орбиты Юпитера, в своей погоне за кометой 67P Чурюмова-Герасименко.

▍ Какова доза в межпланетном пространстве?

Данные с вышеперечисленных аппаратов я свёл в общую таблицу. Указанная толщина экранирования в пересчёте на алюминий — это усреднённое значение. Так, на ExoMars детектор с одной стороны прикрывает пара миллиметров алюминия, а с другой — пара метров всего четырёхтонного зонда. У Curiosity немного лучше — он летел в аэродинамическом кожухе, который по своим экранирующим свойствам не сильно отличается от пилотируемых кораблей современного типа.

Суточные показания в таблице тоже усреднённые, например, повышенная, по сравнению с остальными, доза экипажа Apollo — это результат неоднократного пересечения радиационных поясов Земли. Данные по «Зондам» брались из двух источников, где они отличаются в несколько раз. Во всех остальных случаях, американские результаты не противоречат измерениям приборов других стран, что делает безосновательными подозрения сторонников лунного заговора о недостоверных показаниях в программе Apollo.

В целом, грубое приближение, без учёта колебаний фона из-за солнечной активности, позволяет утверждать, что средняя доза в межпланетном пространстве составляет около 0,5 миллигрей в сутки. В биологическом эквиваленте это около 2 миллизиверт. Примерно столько средний житель России получает за полгода, а экипаж Международной космической станции за 3-4 дня. Высоко, но не смертельно.

Специалисты Института медико-биологических проблем РАН оценили суммарную дозу при полёте на Марс туда-обратно менее чем в 0,7 зиверт за 350 суток. По современным требованиям радиационной безопасности для российских космонавтов, за всю их карьеру допустимо накопление дозы 1 зиверт, что на 3% повышает риск онкологических заболеваний в течение жизни. Получается, что с точки зрения радиационной безопасности на Марс можно слетать и вернуться только один раз.

Для примера, космонавт Геннадий Падалка, налетал на МКС 878 суток, и, с точки зрения радиационного воздействия, слетал на Марс и возвращается домой.

Доза же на поверхности Марса — это тема для отдельного разбора.

Поскольку эффекты длительного воздействия межпланетной радиации на людей не изучались, некоторые учёные тренируются на мышах и крысах. Однако к их результатам нужно относиться осторожно, важна корректность поставленного опыта. Несколько лет назад была новость о том, что аналог космической радиации повредил мозги мышей и они поглупели. Если же углубиться в детали, то окажется, что мышкам жарили мозги по 1 миллигрей в день (то есть в два раза выше, чем показывают дозиметры в космосе) и исключительно нейтронами (у которых коэффициент качества в 5 раз выше, чем у космического фона). В результате подопытные животные получали дозу в десять раз больше чем ожидается в пилотируемой экспедиции.

Данные по смертности участников лунных полётов показывают повышенный процент смертей от сердечно-сосудистых заболеваний, по сравнению с околоземными астронавтами. Но пока для далеко идущих выводов слишком малая выборка (семь случаев), и рано говорить о прямой угрозе межпланетной среды. Хотя эксперименты на мышах также показали, что сочетание имитации невесомости и облучения тяжёлыми заряженными частицами способно нанести вред сердечно-сосудистой системе.

▍ Можно ли защититься от космической радиации?

Вспомним, у нас есть два типа радиации: солнечная и галактическая. Хотя состав этих космических лучей примерно одинаковый — протоны, альфа, и тяжёлые ядра — но они отличаются количеством и энергией. Солнечных заряженных частиц больше, но их энергия ниже, и эта разница определяет разницу в средствах защиты.

Существует распространённый стереотип, что главная опасность в космосе от солнечных вспышек. Но если изучить данные измерений Curiosity, LRO и Rosetta за пределами околоземного магнитного поля, то окажется, что в суммарной накопленной дозе космических аппаратов вклад солнечных вспышек не превышает 25%. Вместе эти три аппарата пробыли в космосе более 15 лет, то есть статистика собрана немалая, однако ни один из них не попадал под мощную солнечную вспышку, которые бывают примерно раз в 10 лет, вроде случившейся 4 августа 1972 года. По результатам моделирования, такая вспышка способна дать экипажу до 4 зиверт за несколько дней, а это лучевая болезнь с риском смертельного исхода (хотя такая доза считалась допустимой для экипажей Apollo). Правда в моделировании 4 зиверта насчитали для содержимого алюминиевой сферы толщиной 2 см, а в среднем полностью снаряжённый космический корабль, типа командного модуля Apollo или российского модуля МКС «Звезда», экранирует примерно как 10 см алюминия, что снизило бы дозу в несколько раз.

Солнечные вспышки опасны, но от них можно защититься. Мы это знаем благодаря автоматической межпланетной станции Rosetta. У неё на борту было два дозиметра, один на солнечной стороне, второй на теневой. Когда в зонд прилетела мощная солнечная вспышка, то облучение освещённого прибора значительно возросло, теневой же показал лишь незначительные флуктуации.

Внимательное наблюдение за Солнцем позволяет предсказывать наиболее опасные вспышки — солнечные протонные события — примерно за несколько минут. Их должно хватить, чтобы сориентировать летящий марсианский корабль «хвостом» к Солнцу, и защитить экипаж. Гораздо опаснее мощные вспышки во время выхода в открытый космос, и тут служба наблюдения за космической погодой оказывается жизненно важна.

Несмотря на серьёзную опасность мощных солнечных вспышек, в межпланетных перелётах они — не главная проблема. Основной радиационный вред во время полёта на Марс исходит от галактических космических лучей, и рукотворной защиты от них нет. Они способны прошивать хоть 10 см, хоть 50 см алюминия, и летят со всех сторон, поэтому прикрыться кораблём не получится. И здесь единственная наша подмога — это солнечные вспышки! Точнее, солнечный ветер — низкоскоростные потоки солнечных заряженных частиц, которые несут с собой магнитные поля, от центра Солнечной системы к гелиопаузе, туда где заканчивается межпланетное пространство и начинается межзвёздное.

Ещё в докосмическую эру, регистрируя потоки вторичных заряженных частиц в атмосфере Земли, учёные заметили, что их интенсивность падает в периоды высокой солнечной активности. Оказалось солнечные выбросы заряженных частиц и магнитных полей тормозят и рассеивают галактические лучи. Это явление назвали солнечная модуляция галактических космических лучей, а кратковременное падение интенсивности галактического излучения во время солнечных вспышек — «Форбуш-эффект». Разница межпланетного радиационного фона, в зависимости от солнечной активности меняется в два-три раза: в солнечный максимум самая низкая доза. Измерения Curiosity и ExoMars велись примерно на середине этого цикла, а на Луну люди летали в период более высокой активности Солнца.

Суммируя все данные теперь понятно, чтобы обеспечить максимально радиационно безопасный перелёт до Марса, нужно соблюсти несколько условий:

- сократить насколько возможно длительность перелёта;

- лететь в период максимума солнечного цикла;

- развернуться двигательным отсеком и топливными баками в сторону Солнца;

- обложиться оборудованием, запасами продуктов и воды вокруг жилых отсеков.

Но даже без этих всех ухищрений, можно один раз слетать на Марс и вернуться, оставаясь в допустимых пределах облучения для современных космонавтов.