ЧЕЛОВЕК, КОСМОС И РАДИАЦИЯ
Беседовал Дмитрий Мисюров
Сможет ли человек реализовать свою мечту о длительных космических полетах? Свое мнение высказал руководитель Научно-исследовательского института ядерной физики им. Д.В. Скобельцына, доктор физико-математических наук, профессор Михаил Игоревич Панасюк
В шестом номере нашего журнала была опубликована статья американского ученого Юджина Паркера «Как защитить космических путешественников», затрагивающая проблему радиационной опасности во время длительных космических полетов.
ЧЕЛОВЕК, КОСМОС И РАДИАЦИЯ
Развитие новых технологий позволяет получать все более точные данные об окружающем мире. Мы постарались выяснить точку зрения российских ученых на опасности, подстерегающие человека в открытом космосе и на околоземной орбите.
Радиационный риск дальних космических миссий
Действительно, галактические и солнечные космические лучи (ГКЛ и СКЛ) — основные факторы радиационной опасности при межпланетных полетах. ГКЛ непрерывным потоком пронизывают звездное пространство, их величина меняется (так называемая модуляция ГКЛ) в соответствии с циклом солнечной активности, находясь с ней в противофазе. Потоки же СКЛ возникают спорадически, во время солнечных вспышек, причем не обязательно в периоды, близкие к максимуму солнечной активности. Их энергии обычно значительно меньше, чем ГКЛ, зарождаются они случайно и существуют в течение относительно непродолжительного времени на фоне непрерывного модулированного Солнцем потока галактических лучей. Поэтому считается, что во время полета на Марс или длительной экспедиции на Луну космический аппарат будет достаточной защитой от серьезных радиационных нагрузок. Логично было бы предположить, что самыми безопасными будут интервалы времени, близкие максимуму цикла солнечной активности, когда поток ГКЛ относительно мал.
Радиационное окружение Земли — это радиационные пояса (РПЗ), солнечные космические лучи (СКЛ) и галактические космические лучи (ГКЛ). В отличие от СКЛ, ГКЛ легко проникают сквозь магнитное поле Земли, но их поток по сравнению с СКЛ мал
Но все не так просто. Было зафиксировано уже несколько случаев, когда наше светило испускало частицы, энергия которых составляла несколько ГэВ (109 эВ), что сопоставимо с энергией ГКЛ. Например, ряд экстремально мощных вспышек можно было наблюдать в периоды спада солнечной активности после 1981 и 2001 гг. В настоящее время существует ряд моделей ГКЛ и СКЛ, на основе которых можно прогнозировать радиационные нагрузки при длительных космических экспедициях на Луну и Марс, а также на околоземной орбите. В основе модели ГКЛ, созданной в НИИЯФ МГУ, лежит обобщенная аналитическая зависимость модуляционной кривой изменения потоков лучей, а для модели СКЛ — вероятностная зависимость появления потоков СКЛ в межпланетном пространстве. Исходным параметром в обоих случаях служит солнечная активность, описываемая, как правило, количеством солнечных пятен (числами Вольфа).
Так, например, результаты расчетов демонстрируют, что для экспедиции на марсианский спутник Фобос продолжительностью около 3 лет (с октября 2009 г. по август 2012 г.) в период максимума цикла солнечной активности главным фактором радиационного риска становятся СКЛ. Причем такой вывод справедлив как для периодов минимума, так и максимума солнечной активности и даже при значительной толщине защиты космического корабля — вплоть до 10 г/см2 (~3,7 см алюминия).Конечно, расчетные величины зависят от конструкции конкретного космического аппарата. Но за три года даже при защите ~10 г/см2 доза поглощенной радиации составит не менее 10 рад.
Свести риск радиационного поражения к нулю в течение такого длительного космического полета, каким является путешествие на Марс, нельзя. Но его можно минимизировать. И здесь самое главное — пассивная защита космического кора*ля, т.е. его стенки. Чтобы уменьшить риск дозовых нагрузок от СКЛ, их толщина должна быть не менее 10 г/см2 (для легких сплавов 3–4 см).
С защитой от ГКЛ, обладающих гигантскими энергиями, все гораздо сложнее. Разработать конструкцию космического аппарата при разумных толщинах стенок, определяющих его вес, не представляется возможным.
Разрабатываются, я бы сказал, «экзотические» меры защиты кораблей от космической радиации. Среди них использование магнитных и электрических полей в качестве экранов (см. статью Ю. Паркера). Но большие значения напряженностей этих полей, необходимые для «отсечки» заряженных частиц космических лучей, требуют значительных масс и габаритов подобных систем и поэтому пока выглядят скорее фантастикой, нежели реальным проектом. Поэтому проблема радиационного риска при дальних космических полетах остается.
Вследстие существования ЮжноАтлантической магнитной аномалии (ЮАА) радиационные пояса в этом районе «провисают» над Землей, создавая потоки радиации (красная область) на пути низколетающих космических аппаратов, например, Международной космической станции (точечная линия). Потоки радиации в районе ЮАА испытывают солнечноциклические вариации (правая часть рисунка). В годы минимума солнечной активности потоки радиации в этой области более мощные, чем в максимуме
Радиация вблизи Земли
На высотах орбитальных станций (около 400 км) сильные потоки радиации существуют лишь над районом Южной Атлантики, вблизи берегов Бразилии. Именно здесь расположена так называемая Южно-Атлантическая аномалия (ЮАА) магнитного поля Земли. Космические корабли, пролетая на такой высоте, по идее, не должны задевать радиационные пояса, расположенные выше. Однако вследствие ослабления магнитного поля в районе ЮАА они «провисают», создавая пространственно-локализованную область повышенных потоков частиц радиационных поясов на столь малых высотах.
Исследования на орбитальной станции «Мир» в середине 90-х гг. показали, что потоки радиации в области ЮАА изменяются в противофазе с циклом солнечной активности (рис. вверху). В годы максимума солнечной активности плотность атмосферы увеличивается, в результате чего потеря энергии частицами радиационных поясов происходит быстрее, а при минимуме солнечной активности наблюдается обратный процесс. Аналогичное временное изменение доз радиации на низких орбитах пилотируемых космических аппаратов вызывают и ГКЛ.
Начало работы действующей МКС практически совпало с максимумом цикла солнечной активности. Дозы радиации внутри станции должны были быть небольшими, нарастая по мере ослабления солнечной активности. Однако вплоть до 2004 г. (рис. вверху) ничего подобного не происходило. Причиной стала особенность модуляции космических лучей, проявившаяся в 2000–2004 гг. в отсутствии увеличения потока ГКЛ на фазе спада солнечной активности. Характерная структура межпланетной среды, в которой распространяются космические лучи, а также экстремально высокая солнечная активность, наблюдавшаяся в тот период, привели к относительно слабому потоку ГКЛ. К тому же плотность атмосферы оставалась высокой по сравнению с минимумом цикла солнечной активности, поэтому модуляция потоков частиц РПЗ не была эффективной.
Магнитное поле Земли достаточно эффективно предохраняет околоземное пространство и саму планету от губительного воздействия космических лучей. СКЛ, как правило, не создают дополнительной опасности для обитателей орбитальных станций, так как они, имея значительно меньшую энергию, чем ГКЛ, в целом не способны преодолеть земной магнитный барьер. Тем не менее, иногда они напоминают о себе. Так было, например, 20 января 2005 г., когда от Солнца исходил могучий поток СКЛ с очень жестким энергетическим спектром, содержавший много частиц, энергия которых достигала ГэВ. Они относительно свободно проникают сквозь магнитное поле, достигая орбит пилотируемых станций. В такие периоды дозы радиации могут увеличиться в несколько раз.
Сопоставим потенциальную радиационную опасность длительных полетов вблизи Земли, под ее магнитным щитом, и в межпланетном пространстве. По нашим расчетам, с октября 2009 г. по август 2012 г (т.е. в тот же период, что и предполагаемый полет на Фобос) на МКС при аналогичной защите (10 г/см2) величина поглощенной дозы составит ~70 рад. На околоземной орбите доза радиации определяется преобладающим воздействием радиационных поясов Земли, влияние же космических лучей составляет лишь ~20%.
Космический полет, как и любая деятельность человека, связан с риском. Необходимо правильно уметь его оценить и сопоставить с другими опасностями. В случае длительных космических полетов радиационный риск — немаловажный фактор безопасности. Космонавт при полете на Марс даже при наличии защиты в течение года может получить дозу облучения в несколько рад. Люди, проживающие вблизи атомных электростанций или в местах газоаэрозольных выбросов, получают около 10-5 – 2·10-3 рад/год. Согласитесь, это намного меньше, чем в космосе.
Поэтому я бы еще раз обратился к имеющимся на сегодня моделям радиации окружающей среды с целью их дальнейшей верификации, к оценкам степени риска и к разработке новых методов радиационной защиты, прежде чем запускать долговременные пилотируемые космические проекты.
Вариации доз радиации на орбитальной станции «Мир» (защита ~ 3 г/см2) и на МКС (защита ~ 10 г/см2). Обращает на себя внимание низкий уровень доз и отсутствие их модуляции после 2000 г.
http://www.sciam.ru/2006/10/mnenye.shtml
Моя СЕМЬЯ тут: http://101osbron.ru/index/0-6