Радиационная безопасность в космосе

 Читатель  хорошо знает о космической  одиссее американских астронавтов  на Луну. Земляне в течение  нескольких экспедиций путешествовали  на Луну на космических аппаратах  “Apollo”. Несколько дней астронавты  находились в космическом пространстве, в том числе длительный промежуток  времени – вне пределов земной  магнитосферы.

 Нил Армстронг  (первый астронавт, вступивший  на Луну) сообщил на Землю о  своих необычных ощущениях во  время полёта: порой он наблюдал  яркие вспышки в глазах. Иногда  их частота достигала около  сотни в день (рис. 16.5). Учёные стали  разбираться в этом явлении  и быстро пришли к выводу, что  ответственны за это… галактические  космические лучи. Именно эти  частицы высокой энергии, проникая  в глазное яблоко, вызывают черенковское  свечение при взаимодействии  с веществом, из которого состоит  глаз. В результате астронавт  и видит яркую вспышку. Наиболее  эффективно с веществом взаимодействуют  не протоны, которых в составе  космических лучей больше всех  остальных частиц, а тяжёлые частицы  – углерод, кислород, железо. Эти  частицы, обладая большой массой, теряют значительно больше своей  энергии на единицу пройденного  пути, чем их более лёгкие собратья. Именно они и ответственны  за генерацию черенковского свечения  и возбуждение ретины – чувствительной  оболочки глаза. Теперь это  явление широко известно. Оно,  вероятно, наблюдалось и до Н. Армстронга, только не все космические пилоты об этом сообщали на Землю. 
    Сейчас на борту Международной космической станции проводится специальный эксперимент по более глубокому изучению этого явления. Выглядит он так: на голову космонавта одевается шлем, начинённый детекторами для регистрации заряжённых частиц. Космонавт должен фиксировать момент прохождения частицы по наблюдаемым им вспышкам, а детекторы делают независимую “экспертизу” их пролёта через глаз и детектор. Световые вспышки в глазах космонавтов и астронавтов - пример того, как орган зрения человека – глаз – может служить детектором космических частиц.  
    Однако на этом неприятные последствия присутствия в космосе космических лучей высокой энергии не заканчиваются…

 Где-то лет  двадцать назад было замечено, что работа бортовых компьютеров  спутников может нарушаться. Эти  нарушения могут быть двух  типов: компьютер может “зависнуть”,  а через некоторое время восстановиться, но иногда и выйти из строя.  Опять-таки, изучая это явление,  учёные пришли к выводу, что  ответственны за него тяжёлые  частицы ГКЛ. Так же, как и  в с случае глазным яблоком,  они проникают внутрь чипа  и вызывают локальные, микроскопические  нарушения в его “сердце”  – чувствительной области полупроводникового  материала, из которого он изготовлен. Механизм этого эффекта показан  на рис. 16.6. В результате довольно  сложных процессов, связанных  с нарушением движения носителей  электрических токов в материале  чипа и происходит сбой в  его работе (их называют “одиночными  сбоями”). Это – неприятное явление  для бортовой аппаратуры современных  спутников, напичканных компьютерными  системами, управляющими его работой.  Как результат – спутник может  потерять ориентацию или не  выполнить необходимую команду  оператора с Земли. В худшем  случае, если нет на борту необходимой  дублирующей компьютерной системы,  можно спутник и потерять.

 Обратите  внимание на рис. 16.7. На нём  изображена частота сбоев, наблюдающаяся  на одном из спутников в  течение ряда лет. Здесь также  нанесена кривая солнечной активности. Налицо высокая корреляция обоих  явлений. В годы минимума солнечной  активности, когда поток ГКЛ максимален (вспомните явление модуляции), частота  сбоев нарастает, и она падает  в максимуме, когда поток ГКЛ  минимален. Невозможно бороться  с этим неприятным явлением. Никакая  защита не спасает спутник  от этих частиц. Уж слишком  велика проникающая способность  этих частиц с их громадными  энергиями. 
    Даже наоборот, увеличение толщины обшивки космического корабля приводит к обратному эффекту. Нейтроны, образуясь в результате ядерных реакций ГКЛ с веществом, создают сильный радиационный фон внутри корабля. Эти вторичные нейтроны, взаимодействуя с материалом расположенным вблизи чипа, генерируют, в свою очередь, тяжёлые частицы, которые, проникая внутрь чипов, создают сбои.

 Здесь необходимо  напомнить читателю, что тяжёлые  заряженные частицы встречаются  не только в космических лучах.  Они присутствуют и в составе  радиационных поясов, особенно много  их во внутренней, ближней к  Земле, части. Здесь, есть и  протоны и более тяжёлые частицы.  И энергия их может превышать  сотни МэВ. Теперь вспомним  про Южно-Атлантическую аномалию, которая “провисает” над Землёй. Нетрудно представить, что электроника  космического корабля, летающего  на высоте километров в 500 должна  “чувствовать” эти частицы. Так  оно и есть. Взгляните на рис  16.8: вы можете на нём увидеть,  что наибольшая частота сбоев  наблюдается как раз в районе  аномалии.   

 Аналогичное  явление происходит и при мощных  солнечных вспышках. Протоны и  тяжёлые ядра в составе СКЛ  могут вызвать в чипах такие  же одиночные сбои. И они действительно  наблюдаются. Один из таких  примеров показан на рис.16.9: во  время мощной солнечной бури 14 июля 2000г. (ввиду того, что она  произошла 14 июля в день взятия  Бастилии, ей присвоили имя “День  Бастилии”) на магнитосферу Земли  “обрушились” интенсивные потоки  солнечных протонов, вызвавших сбои  в работе спутников. Единственное  спасение от ГКЛ – киллеров  чипов – это технические средства, связанные с дублированием особо  важных электронных элементов  бортовой аппаратуры. 
    Не только инженеры, создатели бортовой электронной аппаратуры, обеспокоены присутствием в космосе высокоэнергичных космических лучей. Биологи также изучают механизмы воздействия этих частиц. Вкратце они выглядят следующим образом.  
    Вода, основное вещество биологических тканей, под действием радиации ионизируются, образуются свободные радикалы, которые могут разрушить молекулярные связи ДНК. Не исключён и сценарий прямого повреждения молекулы ДНК при торможении тяжёлой заряженной частицы (рис. 16.10).

 Результат?  Неприятные генетические последствия,  в том числе канцерогенные.  На рис 16.11 наглядно демонстрируется  эффект воздействия тяжёлых частиц  на биологическую ткань: число  повреждённых клеток в случае  воздействия частиц, более тяжёлых,  чем протоны, резко возрастает. 
    Безусловно, нельзя считать, что тяжёлые элементы в составе космических лучей – единственный агент, способный вызвать рак. Биологи, напротив, полагают, что среди всех прочих факторов внешней среды, способных воздействовать на ДНК, - радиации принадлежит отнюдь не лидирующая роль. Скажем, некоторые химические соединения способны вызвать куда более чувствительные нарушения, чем радиация. Однако в условиях длительного космического полёта, вне магнитного поля Земли, человек оказывается наедине, в основном, именно с радиацией. Причём это не совсем обычная, привычная для человека радиация. Это – галактические космические лучи, в составе которых, как мы теперь знаем, есть тяжёлые заряженные частицы. Они, действительно, вызывают нарушения ДНК. Это – очевидно. Не вполне очевидны последствия этого взаимодействия. Что значит утверждение о возможных, например, канцерогенных последствиях такого взаимодействия? 
    Здесь надо отметить, что на сегодняшний день специалисты по космической медицине и биологии не способны дать исчерпывающий ответ. Есть проблемы, которые надо решать в будущих исследованиях. Например, само по себе нарушение ДНК не обязательно должно привести к раку. Более того, молекулы ДНК, получив сигнал опасности о нарушении своей структуры, стараются включить “программу ремонта” самостоятельно. И это происходит, порой, небезуспешно. Любая физическая травма, тот же удар молотком по телу, вызывает гораздо больше нарушений на молекулярном уровне, чем радиация. Но клетки восстанавливают ДНК, и организм “забывает” об этом событии.  
    Стабильность ДНК чрезвычайно велика: вероятность мутации не превышает 1 на 10 миллионов вне зависимости от локальных условий. Это – фантастическая надёжность биологической структуры, ответственной за воспроизводство жизни. Даже сверхсильные радиационные поля не могут её нарушить. Есть ряд бактерий, которые не мутируют в огромных по мощности радиационных полях, достигающих многих тысяч Гр. Такую дозовую нагрузку не выдерживает даже кристаллический кремний и многие конструкционные материалы. 
    Проблема здесь, как это представляется биологам, состоит в том, что может быть сбой в программе ремонта: например, хромосома в результате может оказаться в совсем ненужном месте в структуре ДНК. Вот эта ситуация становится уже опасной. Однако и здесь возможна многовариантность последовательности событий. 
    Во-первых, надо учесть, что процесс мутации – размножении “неправильных клеток” занимает большой промежуток времени. Биологи полагают, что могут пройти десятилетия между первичным неблагоприятным воздействием и негативной реализацией этого эффекта. Это время необходимо, чтобы сформировать новообразование клеток, подвергнутых мутациям, состоящее из многих миллиардов. Поэтому прогноз развития неблагоприятных последствий – дело очень проблематичное. 
    Другая сторона проблемы воздействия радиации на биологические структуры, состоит в том, что недостаточно изучен процесс воздействия малых доз. Не существует прямой связи между величиной дозы – количеством радиации – и радиационными повреждениями. Как полагают биологи, разные типы хромосом, различным образом реагируют на радиацию. Одним из них для проявления эффекта “требуются” значительные дозы радиации, а другим достаточно и сверхмалых. В чём здесь причина? Ответа на это пока нет. Более того, не вполне ясны последствия воздействия на биологические структуры одновременно двух или нескольких видов радиации: скажем, ГКЛ и СКЛ, или ГКЛ, СКЛ и радиационных поясов. Состав этих видов космического излучения разный, и каждый из них может приводить к своим последствиям. Но не ясен эффект их совместного воздействия. Окончательный ответ на эти вопросы – лишь в результатах будущих экспериментов.

 Так писал  К. Циолковский. Человек уже  побывал на Луне. Недалеко время,  когда вновь возобновятся полёты  на нашу спутницу, а затем, вероятно, и на Марс. 
    При дальних космических полётах возрастает роль галактических и солнечных космических лучей как радиационно-опасных факторов. Подсчитано, что при полёте на Марс именно ГКЛ становятся основной радиационной опасностью. Полёт на Марс длится порядка 6 месяцев, и интегральная – суммарная - доза радиации от ГКЛ и СКЛ за этот период в несколько раз выше дозы радиации на МКС за то же время. Поэтому риск радиационных последствий, связанных с выполнением дальних космических миссий значительно возрастает. Так, за год полёта на Марс, поглощённая доза, связанная с ГКЛ, составит 0.2-0.3 Зв (без защиты). Её можно сравнить с дозой от одной из самых мощных вспышек прошлого столетия – августа 1972 г. Во время этого события она была в несколько раз меньше: ~0.05 Зв. 
    Радиационную опасность, создаваемую ГКЛ, можно оценить и предсказать. Сейчас накоплен богатый материал по временным вариациям ГКЛ, связанным с солнечным циклом. Это позволило создать модель, на основе которой удаётся предсказать поток ГКЛ на любой заданный вперёд период времени. 
    Гораздо сложнее обстоят дела с СКЛ. Солнечные вспышки возникают случайным образом и даже не очевидно, что мощные солнечные события возникают в годы, обязательно близкие к максимуму активности. По крайней мере, опыт последних лет показывает, что они происходят и во времена затихшего светила.  
    Протоны солнечных вспышек несут реальную угрозу космическим экипажам дальних миссий. Взяв вновь в качестве примера вспышку августа 1972 г., можно показать, пересчитав потоки солнечных протонов в дозу радиации, что через 10 часов после начала события, она превысила летальное значение для экипажа космического корабля, если бы он оказался вне корабля на Марсе или, скажем, на Луне. 
    Но человек был на Луне и полетит туда вновь. Как защититься от воздействия солнечных протонов, которые, в отличие от Земли, бомбардируют нашу спутницу, не испытывая никаких преград.  
    Здесь уместно вспомнить полёты американскго “Apollo” к Луне в конце 60-х – начале 70-х. В 1972 г., в августе, была такая же по мощности вспышка на Солнце, как и в октябре 1989 г. “Apollo-16” приземлился после своего лунного путешествия в апреле 1972 г., а следующий – “Apollo-17” стартовал в декабре. Повезло экипажу “Apollo-16”? Безусловно, да. Расчёты показывают, будь астронавты “Apollo” в августе 1972 г. на Луне, они бы подверглись облучению с дозой радиации в ~4 Зв. Это – очень много, чтобы спастись. Если… если быстро не возвратиться на Землю для экстренного лечения. Другой вариант – перейти в кабину лунного модуля “Apollo”. Здесь доза радиации уменьшилась бы в 10 раз. Для сравнения скажем, что защита МКС в 3 раза толще, чем лунного модуля “Apollo”. Обычно, толщину защиты оценивают в единицах, представляющих собой произведение плотности вещества r (г/см3) на его геометрическую толщину в см, т.е. в г/см2. Таким образом, удобно сравнивать длину пробега частицы, зависящей от , для разных веществ. В таблице 16.2 приводятся типичные величины защиты для разных космических аппаратов и скафандров.

Таблица 16.2. Толщины защит  космических аппаратов  и скафандра космонавта

 Возможный  сценарий неприятных последствий  сверхмощной вспышки типа августа  1972 г. показан на рис. 16.12. Только  убежище на Луне или жилой  отсек на орбитальной станции  может спасти космонавтов от  губительного воздействия радиации  такой вспышки. 

 Будущие исследователи  Марса (ведь эта планета практически  без магнитного поля и атмосферы)  также должны заблаговременно  позаботиться об укрытии в  убежищах от космической радиации, обусловленной солнечными вспышками.  
    Из того, что сказано выше, следует, что свести риск радиационного поражения к нулю в течение такого длительного космического полёта, каким является путешествие на Марс, нельзя. Но можно его минимизировать. Каким образом это можно сделать? Во-первых, необходимо правильно спланировать полёт на Марс. Как известно, что во время максимума цикла солнечной активности поток ГКЛ будет меньше из-за солнечной модуляции (см. главу 12). Поэтому старт надо выбирать именно в это время. Во-вторых, необходимо обеспечить надежную защиту корабля. Правильно выбранная защита, безусловно, значительно снизит радиационные дозы от СКЛ, даже во время сильных вспышек. Ну, а если конструкторы космического корабля предусмотрят специальный отсек-укрытие с более мощной защитой, это ещё больше снизит риск радиационного поражения. Но, в основном, только от относительно низкоэнергичной компоненты космических лучей – солнечной. 
    Из какого материала может быть создана защита корабля? Наиболее распространённый в космических кораблях материал – алюминий в силу своего малого удельного веса и прочности. Расчёты показывают, что можно создать межпланетный корабль с разумным весом и достаточно эффективной защитой от СКЛ. Разрабатываются новые виды защитных материалов, которые вкачестве защиты будут более эффективны, чем алюминий. К ним относятся, например, водородосодержащие пластики (например, типа полиэтилена). С помощью таких материалов можно создать защиту, которая при толщине 7 см будет уменьшать дозу радиации на 30-35%. Но и этого мало и следует либо увеличивать толщину защиты, либо уменьшать длительность полёта. И первое, и второе – нереально. Есть ещё один способ борьбы с этой проблемой. Это – медикоментозный. Вполне вероятно, что будущие марсианские пилоты будут снабжены эффективными противорадиационными препаратами.  
    И всё же: как уменьшить риск радиационного поражения при длительном космическом полёте от ГКЛ? Неужели нет никаких вариантов? На самом деле, ещё на заре космических полётов учёные и инженеры думали о технических средствах борьбы с радиацией. И в этом плане изучение возможности использования искусственных магнитных и электрических полей играло первостепенную роль

 Вспомните  нашу планету с её магнитным  полем. Именно магнитное поле  не позволяет большой доле  космических лучей достигнуть  Земли. Ну, а если вокруг космического  корабля создать искусственное  магнитное поле? 
    Такие проекты есть. Посмотрите на рис. 16.13. На нём изображён магнит с максимальной напряжённостью поля 70000 Гс. Внутри и вне этого магнита поле приближается к нулю (это обеспечивается специально разработанной конструкцией магнита). Поле такого магнита “отметёт” большую долю ГКЛ – как протонов, так и ядер. Расчёты показывают, что применение такого магнита позволит снизить в 3-4 раза дозу радиационного облучения за 2,5-летнюю экспедицию на Марс. Это немало. Аналогичное снижение дозы возможно, конечно, и с использованием алюминиевой защиты. Но такая защита будет весить 800 тонн! Корабль с магнитной защитой – 30 тонн. Но… как создать такое мощное магнитное поле? Это можно сделать только с использованием сверхпроводящих магнитов. Вы скажите – фантастика? Нет. Прообраз такого магнита уже создан, и он будет использован в эксперименте АMS - 02 (см. рис. 10.3) для исследования космических лучей на борту Международной космической станции. Так что, казалось бы, от фантастической идеи до её реализации, путь не такой уж и большой.

 Солнечные  вспышечные протоны могут создать  проблемы не только для космонавтов  и самих спутников. 

 Если бы  мы полетели от поверхности  Земли с дозиметром – прибором  для измерения доз радиации  – вверх (помните? – впервые  это сделал В. Гесс, но только с электрометром в руках в 1912 г.), то увидели бы увеличение количества радиации: дозы будут возрастать примерно вдвое каждые 2.2 км. Вначале, до высот в 20-30 км, это в основном связано с частицами ШАЛ (см. рис. 16.14) и даже до больших высот, если нет высыпаний релятивистских электронов из радиационных поясов и СКЛ от солнечных вспышек. На высотах орбитальных станций (~400 км) дозы радиации превышают величины, наблюдающиеся на поверхности Земли, в ~200 раз! В основном за счёт частиц радиационных поясов. 
    Известно, что некоторые трассы межконтинентальных самолётов проходят вблизи северной полярной области. Эта область наименее защищена от вторжения энергичных частиц и поэтому во время солнечных вспышек опасность радиационного облучения экипажа и пассажиров возрастает. Солнечные вспышки увеличивают дозы радиации на высотах полётов самолётов в 20-30 раз. 
    В последнее время экипажи некоторых авиалиний информируются о начале наступления вторжения солнечных частиц. Одно из недавних мощных солнечных извержений, случившеееся в ноябре 2003 г., заставило экипаж “Дельты” рейса Чикаго - Гонг-Конг свернуть с пути: лететь к пункту назначения более низкоширотным маршрутом. В результате было сожжено много лишнего горячего. А это немалые деньги. Это нельзя не принимать во внимание. Сейчас Европейский Союз принял даже новый закон для беременных женщин – пилотов самолётов – им запрещается налёт часов с суммарной дозой радиации более, чем 1-6 мЗв в год. А ряд исследовательских групп приступил к разработке моделей, которые позволят делать прогноз возрастания доз радиации на высотах полётов самолётов во время солнечных вспышек.