Космическая радиация представляет большую проблему для конструкторов космических аппаратов. Они стремятся защитить от нее космонавтов, которым предстоит находиться на поверхности Луны или отправиться в длительные путешествия в глубины Вселенной. Если необходимая защита не будет обеспечена, то эти частицы, летящие с огромной скоростью, проникнут в тело космонавта, повредят его ДНК, что может повысить риск раковых заболеваний. К сожалению, до сих пор все известные способы защиты либо неэффективны, либо неосуществимы.
Материалы, традиционно применяемые для строительства космических аппаратов, например алюминий, задерживают некоторые космические частицы, но для многолетних полетов в космосе нужна более крепкая защита.
Аэрокосмическое агентство США (NASA) охотно берётся за самые сумасбродные, на первый взгляд, идеи. Ведь никто наверняка не может предсказать - какая из них однажды обернётся серьёзным прорывом в космических исследованиях. В агентстве работает специальный институт перспективных концепций (NASA Institute for Advanced Concepts - NIAC), призванный аккумулировать именно такие разработки - на очень дальнюю перспективу. Через этот институт NASA распределяет гранты в различные университеты и институты - на разработку "гениальных безумств".
Сейчас изучаются следующие варианты:

Защита определенными материалами. Некоторые материалы, например вода или полипропилен, обладают хорошими защитными свойствами. Но для того, чтобы защитить ими космический корабль, их понадобится очень много, вес корабля станет недопустимо велик.
В настоящее время, сотрудники NASA разработали новый сверхпрочный материал, родственный полиэтилену, который собираются использовать при сборке космических кораблей будущего. "Космическая пластмасса" сможет защитить астронавтов от космической радиации лучше, чем металлические экраны, но намного легче известных металлов. Специалисты убеждены, что когда материалу придадут достаточную термостойкость, из него можно будет делать даже обшивку космических аппаратов.
Раньше считалось, что только цельнометаллическая оболочка позволит пилотируемому кораблю пройти сквозь радиационные пояса Земли - потоки заряженных частиц, удерживаемые магнитным полем вблизи планеты. Во время полетов к МКС с этим не сталкивались, поскольку орбита станции проходит заметно ниже опасного участка. Кроме того, астронавтам угрожают вспышки на Солнце - источник гамма- и рентгеновских лучей, а детали самого корабля способны ко вторичному излучению - из-за распада радиоизотопов, образовавшихся при "первой встрече" с радиацией.
Теперь ученые полагают, что новый пластик RXF1 лучше справляется с перечисленными проблемами, причем небольшая плотность - не последний аргумент в его пользу: грузоподъемность ракет все еще недостаточно велика. Известны результаты лабораторных тестов, в которых его сравнивали с алюминием: RXF1 выдерживает втрое большие нагрузки при втрое меньшей плотности и улавливает больше высокоэнергетических частиц. Полимер пока не запатентован, поэтому о способе его изготовления не сообщается. Об этом сообщает Lenta.ru со ссылкой на science.nasa.gov.

Надувные конструкции. Надувной модуль, изготовленный из особо прочного пластика RXF1, окажется не только компактнее при запуске, но и легче цельной стальной конструкции. Конечно, его разработчикам потребуется предусмотреть и достаточно надежную защиту от микрометеоритов вкупе с «космическим мусором», но ничего принципиально невозможного в этом нет.
Кое-что уже есть - это частный надувной беспилотный корабль Genesis II уже находится на орбите. Запущен в 2007 году российской ракетой "Днепр". Причем масса у него довольно внушительная для устройства, созданного частной компанией, – свыше 1300 кг.

CSS (Commercial Space Station) Skywalker - коммерческий проект надувной орбитальной станции. На поддержку проекта NASA выделяет деньги около 4 млрд. долларов на 20110-2013 гг.. Речь идёт о разработке новых технологий надувных модулей для освоения космоса и небесных тел Солнечной системы.

Сколько будет стоить надувная конструкция, не сообщается. Зато уже озвучены суммарные затраты на разработку новых технологий. В 2011 году на эти цели выделят $652 млн, в 2012-м (если бюджет снова не пересмотрят) – $1262 млн, в 2013-м – $1808 млн. Затраты на исследования планируется неуклонно повышать, но, с учетом печального опыта выбившегося из сроков и смет «Созвездия» , без фокусировки на одной масштабной программе.
Надувные модули, автоматические устройства для стыковки аппаратов, системы хранения топлива на орбите, автономные модули жизнеобеспечения и комплексы, обеспечивающие посадку на другие небесные тела. Это лишь малая часть тех задач, которые ставятся теперь перед NASA для решения задачи высадки человека на Луну.

Магнитная и электростатическая защита. Для отражения летящих частиц можно применять мощные магниты, но магниты очень тяжелы, и пока неизвестно, насколько опасным для космонавтов окажется магнитное поле, достаточно мощное, чтобы отражать космическую радиацию.

Космический корабль или станция на поверхности Луны с магнитной защитой. Тороидальный сверхпроводящий магнит с напряжённостью поля не позволит большей части космических лучей проникнуть в кабину пилотов, расположенную внутри магнита, и, тем самым, снизит суммарные дозы радиации от космического излучения в десятки и более раз.

Перспективные проекты NASA - электростатический радиационный щит для лунной базы и лунный телескоп с жидким зеркалом (иллюстрации с сайта spaceflightnow.com).

Защита из жидкого водорода. НАСА рассматривает возможность использовать в качестве защиты от космической радиации топливные баки космических аппаратов, содержащие жидкий водород, которые можно расположить вокруг отсека с экипажем. В основе этой идеи лежит тот факт, что космическое излучение теряет энергию, сталкиваясь с протонами других атомов. Поскольку атом водорода имеет только один протон в ядре, протон каждого его ядра "тормозит" радиацию. В элементах с более тяжелыми ядрами одни протоны загораживают другие, поэтому космические лучи их не достигают. Защиту водородом обеспечить можно, но недостаточную для того, чтобы предотвратить риски онкологических заболеваний.

Биоскафандр. Данный проект биоскафандра (Bio-Suit), разрабатываемый группой профессоров и студентов Массачусетского технологического института (MIT). "Био" - в данном случае означает не биотехнологии, а лёгкость, необыкновенное для скафандров удобство и где-то даже неощутимость оболочки, являющейся как бы продолжением тела.
Вместо того, чтобы сшивать и склеивать скафандр из отдельных кусочков различных тканей, его будут напылять прямо на кожу человека в виде быстро затвердевающего спрея. Правда, шлем, перчатки и ботинки останутся всё же традиционными.
Технология такого напыления (в качестве материала используется специальный полимер) уже обкатывается американскими военными. Этот процесс называется Electrospinlacing, его прорабатывают специалисты исследовательского центра армии США - Soldier systems center, Natick.
Упрощённо можно сказать, что мельчайшие капельки или короткие волоконца полимера приобретают электрический заряд и под действием электростатического поля устремляются к своей цели - объекту, который нужно закрыть плёнкой - где они образуют слитную поверхность. Учёные из MIT намерены создать нечто подобное, но способное создавать влаго- и воздухонепроницаемую плёнку на теле живого человека. После затвердевания плёнка приобретает высокую прочность, сохраняя упругость, достаточную для движения рук и ног.
Нужно добавить, что проект предусматривает вариант, когда подобным образом на тело будут напылены несколько различных слоёв, чередующихся с разнообразной встроенной электроникой.

Линия развития скафандров в представлении учёных MIT (иллюстрация с сайта mvl.mit.edu).

Но ведь если не начать идти к этому результату сейчас - "фантастическое будущее" не наступит.

16.3. Вспышки в глазах и в электронных чипах

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).

Рис. 16.10. Взаимодействие тяжёлых частиц ГКЛ c молекулой ДНК в пределах её линейных размеров ~ 20 ангстрем может приводить к нарушениям в её структуре двумя путями: либо через образование свободных радикалов, либо напрямую – путём повреждения самой молекулы

Рис. 16.11. Альфа-частицы (ядра гелия) и другие тяжёлые частицы космических лучей воздействуют на клетки более эффективно, чем электроны – лёгкие частицы. Тяжёлые частицы теряют в веществе гораздо больше энергии на единицу пути, нежели более лёгкие. Это наглядно демонстрируется на этом рисунке: при одной и той же дозах радиации от электронов и тяжёлых частиц, число повреждённых клеток в последнем случае больше

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.

"Этот результат важен для планирования длительных полетов: он означает, что можно лететь дальше и летать дольше. Хотя в целом дозы радиации большие, и остается вопрос как их снижать, чтобы сохранить здоровье космонавтов", - говорит один из авторов исследования Вячеслав Шуршаков из Института медико-биологических проблем РАН.

Эксперимент "Матрешка-Р" на борту МКС был начат еще в 2004 году, когда на станцию были доставлены особые пассажиры. У одного вид был довольно респектабельный. Саксонский тип лица, фигура на зависть многим - метр семьдесят пять и семьдесят кг. Что называется, ни "жиринки" лишней. По происхождению он европеец, и в научных кругах известен под именем "господина Рэндо". А вот у другого, россиянина, "внешность" необычнее: на весах он тянет всего на тридцать кг, а про рост и метр с кепкой не скажешь - 34 сантиметра. В диаметре. Иными словам - это... шар.

И "саксонец", и его сферический попутчик - это манекены. Их еще называют фантомами: оба, несмотря на различия, практически один к одному имитируют человеческое тело. А точнее - химико-биологический "материал", из которого сотканы люди. Каждый начинен чувствительнейшими детекторами, датчиками ионизирующего излучения.

"Нам нужно измерять дозу радиации, которая воздействует на критически важные внутренние органы - желудочно-кишечный тракт, кроветворную систему, центральную нервную систему. Непосредственно в тело человека дозиметр засунуть нельзя, поэтому используются тканеэквивалентные фантомы", - говорят специалисты.

Такой фантом сначала был помещен на внешней поверхности МКС в герметичном контейнере, который по параметрам поглощения соответствовал космическому скафандру, а затем был перенесен внутрь станции. Российские ученые вместе с коллегами из Польши, Швеции, Германии и Австрии пересчитали собранные данные с помощью компьютерной модели NUNDO и получили точные оценки дозы радиации для каждого внутреннего органа.

Расчеты доказали, что реальное воздействие радиации на внутренние органы значительно ниже, чем показывали "обычные" дозиметры. При выходе в открытый космос доза в теле будет на 15% ниже, а внутри станции - на все 100% (то есть в два раза) меньше, чем та доза, которую измеряет индивидуальный дозиметр, расположенный в кармашке на груди у космонавта.

По словам специалистов, установлен годовой предел облучения, превысить который никто не имеет права: это 500 миллиЗиверт. Есть и так называемый профессиональный лимит, или, как еще говорят, лимит за карьеру. Он не должен превышать 1 Зиверт. Много это или мало? Как говорят специалисты, максимально допустимая доза, которую может накопить космонавт за все годы работы на Земле и в космосе, способна забрать у него 2-3 года жизни. Подобной еще не было ни у кого и никогда. Но существует общее правило: дозы должны быть настолько низкими, насколько они разумно достижимы. Вот почему ученым так важно знать, как реагируют на радиацию "критические" органы. Какие конкретно дозы во время сильных солнечных вспышек получают кроветворная система, мозг, легкие, печень, почки...

Вблизи Земли продолжает защищать ее магнитное поле - пусть даже ослабленное и без помощи многокилометровой атмосферы. Пролетая в районе полюсов, где поле мало, космонавты сидят в особо защищенном помещении. А для радиационной защиты при полете на Марс пока нет удовлетворительного технического решения.

Решил дополнить исходный ответ по двум причинам:

1. в одном месте он содержит неверное утверждение и не содержит верное
2. просто для полноты картины (цитаты)

1. В комментариях Сузанна покритиковала ответ - во многом справедливо.

Над магнитными полюсами Земли поле слабеет , как я и утверждал. Да, Сузанна права, что У ПОЛЮСОВ оно особо велико (представьте себе силовые линии: они собираются именно у полюсов). Но на большой высоте НАД ПОЛЮСАМИ оно слабее чем в других местах- по той же самой причине (представьте те же силовые линии: они ушли вниз - к полюсам, а вверху их почти не осталось). Поле как бы проседает.

Но Сузанна права в том, что космонавты МЧС не укрываются в спецпомещении из-за приполярных областей : меня подвела память.

Но все же есть место, над которым спецмеры принимаются (его я и спутал с приполярными областями). Это - над магнитной аномалией в Южной Атлантике . Там магнитное поле настолько "проседает", что радиационный пояс и принимать спецмеры приходится без всяких вспышек на Солнце . Цитату о не связанных с солнечной активностью спецмерах быстро найти не смог, но я о них где-то читал.

Ну и, конечно, стоит упомянуть и сами вспышки : от них тоже укрываются в наиболее защищенном помещении, а не разгуливают в это время по всей станции.

Все солнечные вспышки тщательно отслеживаются и информация о них отправляется в центр управления. В такие периоды космонавты прекращают работу и укрываются в наиболее защищённых отсеках станции. Такими защищёнными сегментами являются отсеки МКС рядом с ёмкостями с водой. Вода задерживает вторичные частицы - нейтроны, и доза радиации поглощается эффективнее.

2. Просто цитаты и допинформация

В некоторых цитатах ниже упоминается доза в Зивертах (Зв). Для ориентировки некоторые цифры и вероятные эффекты из таблицы в

0-0.25 Зв. Нет эффекта, за исключением умеренных изменений в крови

0.25-1 Зв. Радиационные заболевания из 5-10% облучённых людей

7 Зв ~100% летальных исходов

Суточная доза на МКС - около 1 мЗв (см. ниже). Значит, можно без особого риска летать около 200 суток . Важно также, за какой срок набрана одна и та же доза: набранная за короткое время намного опаснее, чем за набранная за длительный срок. Организм - не пассивный объект просто "набирающий" радиационные дефекты: есть у него и "ремонтные" механизмы и с постепенно набираемыми малыми дозами они обычно справляются.

В отсутствие массивного атмосферного слоя, который окружает людей на Земле, космонавты на МКС подвергаются более интенсивному облучению постоянными потоками космических лучей. В день члены экипажа получают дозу радиации в размере около 1 миллизиверта, что примерно равнозначно облучению человека на Земле за год. Это приводит к повышенному риску развития злокачественных опухолей у космонавтов, а также ослаблению иммунной системы.

Как показывают данные, собранные NASA и специалистами из России и Австрии, астронавты на МКС ежедневно получают дозу в 1 миллизиверт. На Земле такую дозу облучения не везде можно получить и за целый год.

Этот уровень, впрочем, ещё относительно терпим. Однако необходимо иметь в виду, что околоземные космические станции находятся под защитой магнитного поля Земли.

За его пределами радиация возрастёт во много раз, следовательно, экспедиции в глубокий космос окажутся невозможными.

Радиация в жилых корпусах и лабораториях МКС и «Мира» возникала вследствие бомбёжки космическими лучами алюминиевой обшивки станции. Быстрые и тяжёлые ионы выбивали из обшивки изрядное количество нейтронов.

В настоящее время на космических кораблях невозможно обеспечить стопроцентную защиту от радиации. Точнее, возможно, но за счёт более чем значительного увеличения массы, а вот это-то как раз и недопустимо

Кроме атмосферы нашей, защитой от радиации является магнитное поле Земли. Первый радиационный пояс Земли находится на высоте порядка 600-700 км. Станция сейчас летает на высоте порядка 400км, что существенно ниже... Защитой от радиации в космосе является (также – ред.) корпус корабля или станции. Чем толще стенки корпуса, тем больше защита. Конечно, стенки не могут быть бесконечно толстыми, потому что существуют весовые ограничения.

Ионизирующий уровень, фоновый уровень радиации на международной космической станции выше, чем на Земле (примерно в 200 раз – ред.), что делает космонавта более подверженным ионизирующему излучению, чем представителей традиционно радиационно-опасных отраслей, таких как атомная энергетика и рентгенодиагностика.

Кроме индивидуальных дозиметров космонавтов на станции есть еще система радиационного контроля. ... По одному датчику расположено в каютах экипажа и по одному датчику в рабочем отсеке малом и большом диаметре. Система работает автономно 24 часа в сутки. ... Таким образом Земля располагает информацией о текущей радиационной обстановке на станции. Система радиационного контроля способна выдавать предупреждающий сигнал «Проверь радиацию!». Если бы это случилось, то на пульте сигнализации систем мы увидели бы загорание транспаранта с сопровождающим звуковым сигналом. За все время существование космической международной станции таких случаев не было.

В... районе Южной Атлантики... радиационные пояса “провисают” над Землей из-за существования глубоко под Землей магнитной аномалии. Космические корабли, летающие над Землей, как бы “чиркают” пояса радиации в течение очень непродолжительного времени... на витках, проходящих район аномалии. На других витках потоки радиации отсутствуют и не создают хлопот участникам космических экспедиций.

Магнитная аномалия в районе Южной Атлантики – не единственная радиационная “напасть” для космонавтов. Солнечные вспышки, генерирующие подчас весьма энергичные частицы... , могут создать большие сложности для полётов космонавтов. Какая доза радиации может быть получена космонавтом в случае прихода солнечных частиц к Земле – во многом воля случая. Эта величина определяется, в основном, двумя факторами: степенью искажения дипольного магнитного поля Земли во время магнитных бурь и параметрами орбиты космического аппарата в течение солнечного события. ... Экипажу может повезти, если орбиты в момент вторжения СКЛ не проходят опасных высокоширотных участков.

Одно из наиболее мощных протонных извержений – радиационная буря солнечных извержений, вызвавшая радиационную бурю вблизи Земли, произошло совсем недавно – 20 января 2005 г. Аналогичное по мощности солнечное извержение было 16 лет назад, в октябре 1989 г. Множество протонов с энергиями, превышающими сотни МэВ, достигли магнитосферы Земли. Кстати, такие протоны способны преодолеть защиту толщиной, эквивалентной примерно 11 сантиметрам воды. Скафандр космонавта – тоньше. Биологи считают, что если в это время космонавты оказались бы вне Международной космической станции, то, безусловно, воздействие радиации сказалось бы на здоровье космонавтов. Но они находились внутри неё. Защита МКС достаточно велика, чтобы обезопасить экипаж от неблагоприятного воздействия радиации во многих случаях. Так было и во время данного события. Как показали измерения с помощью радиационных дозиметров, “схваченная” космонавтами доза радиации не превышала той дозы, которую человек получает при обычном рентгеновском обследовании. Космонавты МКС получили 0.01 Гр или ~ 0.01 Зиверт... Правда, столь малые дозы связаны и с тем, что, как об этом написано ранее, станция находилась на “магнитно-защищённых” витках, что может случаться не всегда.

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... Учёные... 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.

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.

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”.

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.

Землю от космического излучения защищают атмосфера и магнитное поле. На орбите радиационный фон в сотни раз больше, чем на поверхности Земли. Каждые сутки космонавт получает дозу облучения 0,3-0,8 миллизиверта - примерно в пять раз больше, чем при рентгене грудной клетки. При работе в открытом космосе воздействие радиации оказывается еще на порядок выше. А в моменты мощных солнечных вспышек можно за один день на станции схватить 50-суточную норму. Не дай бог в такое время работать за бортом - за один выход можно выбрать допустимую за всю карьеру дозу, составляющую 1000 миллизивертов. В обычных условиях ее хватило бы года на четыре - столько еще никто не налетал. Причем ущерб здоровью от такого однократного облучения будет значительно выше, чем от растянутого на годы.

И все же низкие околоземные орбиты еще относительно безопасны. Магнитное поле Земли захватывает заряженные частицы солнечного ветра, образуя радиационные пояса. Они имеют форму широкого бублика, окружающего Землю по экватору на высоте от 1000 до 50 000 километров. Максимальная плотность частиц достигается на высотах около 4000 и 16 000 километров. Сколько-нибудь длительная задержка корабля в радиационных поясах представляет серьезную угрозу жизни экипажа. Пересекая их на пути к Луне, американские астронавты за несколько часов рисковали получить дозу 10-20 миллизивертов - как за месяц работы на орбите.

В межпланетных полетах вопрос радиационной защиты экипажа стоит еще острее. Земля экранирует половину жестких космических лучей, а ее магнитосфера почти полностью задерживает поток солнечного ветра. В открытом космосе без дополнительных мер защиты облучение вырастет на порядок. Иногда обсуждается идея отклонять космические частицы сильными магнитными полями, однако на практике ничего, кроме экранирования, пока не отработано. Частицы космического излучения неплохо поглощаются ракетным топливом, что наводит на мысль использовать полные баки как защиту от опасной радиации.

Магнитное поле на полюсах не мало, а наоборот, большое. Просто направлено оно там практически радиально к Земле, что приводит к тому, что захваченные магнитными полями в радиационных поясах частицы солнечного ветра, при определенных условиях двигаются (высыпаются) в направлении Земли у полюсов, вызывая полярные сияния. Это не представляет опасности космонавтам так как траектория МКС проходит ближе к экваториальной зоне. Опасность представляют сильные солнечные вспышки класса М и Х с коронарными выбросами вещества (в основном протоны), направленные к Земле. Именно в этом случае, космонавты применяют дополнительные меры радиационной защиты.

Ответить

ЦИТАТА: "... Наиболее эффективно с веществом взаимодействуют не протоны, которых в составе космических лучей больше всех остальных частиц, а тяжёлые частицы – углерод, кислород, железо...."

Объясните неучу пожалуйста - откуда в солнечном ветре (космических лучах, как у вас написано) взялись частицы углерода, кислорода, железа и каким образом они могут попасть в вещество, из которого состоит глаз - через скафандр?

Ответить

Ещё 2 комментария

Объясняю... Солнечный свет - это фотоны (включая гамма-кванты и рентгеновское излучение, являющиеся проникающей радиацией).

Есть еще солнечный ветер. Частицы . Например, электроны, ионы, ядра атомов, летящие от Солнца и из Солнца. Сколь-нибудь тяжелых ядер (тяжелее гелия) там мало, ибо их мало в самом Солнце. Но альфа-частиц (ядер гелия) - много. И, в принципе, может прилететь любое ядро, легче железного (вопрос лишь в количестве прилетающего). Дальше железа синтез на Солнце (тем более вне его) не идет. Поэтому от Солнца может прилететь только железо и что-то полегче (тот же углерод, например).

Космические лучи в узком смысле - это особо высокоскоростные заряженные частицы (и не заряженные, впрочем, тоже), прилетевшие из-за пределов Солнечной системы (в основном). А также - проникающая радиация оттуда же (иногда ее рассматривпют отдельно, не причисляя к "лучам").

Среди прочих частиц космические лучи содержат и ядра каких угодно атомов (в разном количестве, конечно). Сколь-нибудь тяжелые ядра, попав в вещество, ионизируют все на своем пути (а также - в стороне: там вторичная ионизация - уже тем, что вышиблено по дороге). А если у них высокая скорость (и кинетическая энергия), то заниматься этим делом (полетом через вещество и его ионизацей) ядра будут долго и остановятся не скоро. Соответственно, пролетят через что угодно и с пути не свернут - пока не потратят почти всю кинетическую энергию. Даже наткнувшись прямо на другое ядро (а это бывает редко) могут просто отшвырнуть его в сторону, почти не изменив направление своего движения. Или не в сторону, а полетят дальше более-менее в одном направлении.

Представьте автомобиль, который на полном ходу врезался в другой. Разве он остановится? А еще представьте, что скорость у него - многие тысячи километров в час (еще лучше - в секунду!), а прочность позволяет выдержать любой удар. Вот это и есть ядро из космоса.

Космические лучи в широком смысле - это космические лучи в узком, плюс солнечный ветер и проникаюшая радиация от Солнца. (Ну, или без проникающей радиации, если ее рассматривают отдельно).

Со́лнечный ве́тер - поток ионизированных частиц (в основном гелиево-водородной плазмы), истекающий из солнечной короны со скоростью 300-1200 км/с в окружающее космическое пространство. Является одним из основных компонентов межпланетной среды.

Множество природных явлений связано с солнечным ветром, в том числе такие явления космической погоды, как магнитные бури и полярные сияния.

Не следует путать понятия «солнечный ветер» (поток ионизированных частиц, долетающий от Солнца до Земли за 2-3 суток) и «солнечный свет» (поток фотонов, долетающий от Солнца до Земли в среднем за 8 минут 17 секунд).

Из-за солнечного ветра Солнце теряет ежесекундно около одного миллиона тонн вещества. Солнечный ветер состоит в основном из электронов, протонов и ядер гелия (альфа-частиц); ядра других элементов и неионизированных частиц (электрически нейтральных) содержатся в очень незначительном количестве.

Хотя солнечный ветер исходит из внешнего слоя Солнца, он не отражает состава элементов в этом слое, так как в результате процессов дифференциации содержание некоторых элементов увеличивается, а некоторых - уменьшается (FIP-эффект).

Косми́ческие лучи́ - элементарные частицы и ядра атомов, движущиеся с высокими энергиями в космическом пространстве[

Классификация по происхождению космических лучей:

• вне нашей Галактики
• в Галактике
• на Солнце
• в межпланетном пространстве

Первичными принято называть внегалактические и галактические лучи. Вторичными принято называть потоки частиц, проходящие и трансформирующиеся в атмосфере Земли.

Космические лучи являются составляющей естественной радиации (фоновой радиации) на поверхности Земли и в атмосфере.

Энергетический спектр космических лучей на 43 % состоит из энергии протонов, ещё на 23 % - из энергии гелия (альфа-частиц) и 34 % энергии, переносимой остальными частицами.

По количеству частиц космические лучи на 92 % состоят из протонов, на 6 % - из ядер гелия, около 1 % составляют более тяжелые элементы, и около 1 % приходится на электроны.

Традиционно частицы, наблюдаемые в КЛ, делят на следующие группы... соответственно, протоны, альфа-частицы, легкие, средние, тяжелые и сверхтяжелые... Особенностью химического состава первичного космического излучения является аномально высокое (в несколько тысяч раз) содержание ядер группы L (литий, бериллий, бор) по сравнению с составом звёзд и межзвёздного газа. Данное явление объясняется тем, что механизм генерации космических частиц в первую очередь ускоряет тяжелые ядра, которые при взаимодействии с протонами межзвёздной среды распадаются на более лёгкие ядра.

Ответить

Прокомментировать

Curiosity имеет на борту прибор RAD для определения интенсивности радиоактивного облучения. В ходе своего полета к Марсу Curiosity производил замеры радиационного фона, а сегодня об этих результатах рассказали ученые, которые работают с NASA. Поскольку марсоход летел в капсуле, а датчик радиации располагался внутри, то эти замеры практически соответствуют тому радиационному фону, который будет присутствовать в пилотируемом космическом корабле.

Результат не вдохновляет - эквивалентная доза поглощенного радиационного облучения в 2 раза превосходит дозу МКС. И в четыре - ту, которая считается предельно допустимой для АЭС.

То есть шестимесячный полет к Марсу примерно равносилен 1 году проведенному на околоземной орбите или двум на атомной электростанции. Учитывая, что общая длительность экспедиции должна составить около 500 суток, перспектива открывается не оптимистичная.
Для человека накопленная радиация в 1 Зиверт повышает риск раковых заболеваний на 5%. NASA позволяет своим астронавтам за свою карьеру, набирать не более 3% риска или 0,6 Зиверта. С учетом того, что на МКС ежедневная доза составляет до 1 мЗв, то предельный срок пребывания астронавтов на орбите ограничивается примерно 600 сутками за всю карьеру.
На самом Марсе радиация должна быть примерно в два раза ниже чем в космосе, из-за атмосферы и пылевой взвеси в ней т.е. соответствовать уровню МКС, но точных показателей еще не публиковали. Интересны будут показатели RAD в дни пылевых бурь - узнаем насколько марсианская пыль является хорошим радиационным экраном.

Сейчас рекорд пребывания на околоземной орбите принадлежит 55-летнему Сергею Крикалеву - на его счету 803 суток. Но он набрал их с перерывами - всего он совершил 6 полетов с 1988 по 2005 год.

Прибор RAD состоит из трех кремниевых твердотельных пластин, выступающих в качестве детектора. Дополнительно он имеет кристалл йодида цезия, который используется в качестве сцинтилятора . RAD установлен так, чтобы во время посадки смотреть в зенит и захватывать поле в 65 градусов.

Фактически это радиационный телескоп, который фиксирует ионизирующие излучения и заряженные частицы в широком диапазоне.

Радиация в космосе возникает в основном из двух источников: от Солнца - во время вспышек и коронарных выбросов, и от космических лучей, которые возникают во время взрывов сверхновых или других высокоэнергетических событий в нашей и других галактиках.


На иллюстрации: взаимодействие солнечного «ветра» и магнитосферы Земли.

Космические лучи составляют основную долю радиации в межпланетном путешествии. На них приходится доля излучения в 1,8 мЗв в сутки. Лишь три процента облучения накоплено Curiosity от Солнца. Это связано еще и с тем, что полет проходил в сравнительно спокойное время. Вспышки повышают суммарную дозу, и она приближается к 2 мЗв в сутки.

Пики приходятся на солнечные вспышки.

Нынешние технические средства более эффективны против солнечной радиации, которая имеет невысокую энергию. Например, можно оборудовать защитную капсулу, где космонавты смогут скрываться во время солнечных вспышек. Однако, от межзвездных космических лучей не защитят даже 30 см алюминиевые стены. Свинцовые, вероятно, помогли бы лучше, но это значительно повысит массу корабля, а значит затраты на его выведение и разгон.

Наиболее эффективным средством минимизации облучения должны стать новые типы двигателей, которые существенно сократят время полета до Марса и обратно. NASA сейчас работает над солнечным электрореактивным двигателем и ядерным тепловым. Первый может в теории разогнаться до 20 раз быстрее современных химических двигателей, но разгон будет очень долгим из-за малой тяги. Аппарат с таким двигателем предполагается направить для буксировки астероида , который NASA хочет захватить и перевести на окололунную орбиту для последующего посещения астронавтами.

Наиболее перспективные и обнадеживающие разработки по электрореактивным двигателям ведутся по проекту VASIMR . Но для путешествия к Марсу солнечных панелей будет недостаточно - понадобится реактор.

Ядерный тепловой двигатель развивает удельный импульс примерно втрое выше современных типов ракет. Суть его проста: реактор нагревает рабочий газ (предполагается водород) до высоких температур без использования окислителя, который требуется химическим ракетам. При этом предел температуры нагрева определяется только материалом из которого изготовлен сам двигатель.

Но такая простота вызывает и сложности - тягой очень сложно управлять. NASA пытается решить эту проблему, но не считает разработку ЯРД приоритетной работой.

Применение ядерного реактора еще перспективно тем, что часть энергии можно было бы пустить на генерацию электромагнитного поля, которое бы дополнительно защищало пилотов и от космической радиации, и от излучения собственного реактора. Эта же технология сделала бы рентабельной добычу воды на Луне или астероидах, то есть дополнительно стимулировала коммерческое применение космоса.
Хотя сейчас это не более чем теоретические рассуждения, не исключено, что именно такая схема станет ключом к новому уровню освоения Солнечной системы.