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.
Как уже говорилось, едва американцы начали свою космическую программу, их ученый Джеймс Ван Аллен совершил достаточно важное открытие. Первый американский искусственный спутник, запущенный ими на орбиту, был куда меньше советского, но Ван Аллен додумался прикрепить к нему счетчик Гейгера. Таким образом, была официально подтверждена высказанная еще в конце ХIХ в. выдающимся ученым Николой Теслой гипотеза о том, что Землю окружает пояс интенсивной радиации.
Фотография Земли астронавта Уильяма Андерса
во время миссии «Аполлон-8» (архив НАСА)
Тесла, однако, считался большим чудаком, а академической наукой - даже сумасшедшим, поэтому его гипотезы о генерируемом Солнцем гигантском электрическом заряде давно лежали под сукном, а термин «солнечный ветер» не вызывал ничего, кроме улыбок. Но благодаря Ван Аллену теории Теслы были реанимированы. С подачи Ван Аллена и ряда других исследователей было установлено, что радиационные пояса в космосе начинаются у отметки 800 км над поверхностью Земли и простираются до 24 000 км. Поскольку уровень радиации там более или менее постоянен, входящая радиация должна приблизительно равняться исходящей. В противном случае она либо накапливалась бы до тех пор, пока не «запекла» Землю, как в духовке, либо иссякла. По этому поводу Ван Аллен писал: «Радиационные пояса можно сравнить с протекающим сосудом, который постоянно пополняется от Солнца и протекает в атмосферу. Большая порция солнечных частиц переполняет сосуд и выплескивается, особенно в полярных зонах, приводя к полярным сияниям, магнитным бурям и прочим подобным явлениям».
Радиация поясов Ван Аллена зависит от солнечного ветра. Кроме того, они, по-видимому, фокусируют или концентрируют в себе эту радиацию. Но поскольку концентрировать в себе они могут только то, что пришло напрямую от Солнца, то открытым остается еще один вопрос: сколько радиации в остальной части космоса?
Орбиты атмосферных частиц в экзосфере (dic.academic.ru)
У Луны нет поясов Ван Аллена. У нее также нет защитной атмосферы. Она открыта всем солнечным ветрам. Если бы во время лунной экспедиции произошла сильная солнечная вспышка, то колоссальный поток радиации испепелил бы и капсулы, и астронавтов на той части поверхности Луны, где они проводили свой день. Эта радиация не просто опасна - она смертельна!
В 1963 году советские ученые заявили известному британскому астроному Бернарду Ловеллу, что они не знают способа защитить космонавтов от смертельного воздействия космической радиации. Это означало, что даже намного более толстостенные металлические оболочки российских аппаратов не могли справиться с радиацией. Каким же образом тончайший (почти как фольга) металл, используемый в американских капсулах, мог защитить астронавтов? НАСА знало, что это невозможно. Космические обезьяны погибли менее чем через 10 дней после возвращения, но НАСА так и не сообщило нам об истинной причине их гибели.
Обезьяна-астронавт (архив РГАНТ)
Большинство людей, даже сведущих в космосе, и не подозревают о существовании пронизывающей его просторы смертельной радиации. Как ни странно (а может быть, как раз по причинам, о которых можно догадаться), в американской «Иллюстрированной энциклопедии космической технологии» словосочетание «космическая радиация» не встречается ни разу. Да и вообще эту тему американские исследователи (особенно связанные с НАСА) обходят за версту.
Между тем Ловелл после беседы с русскими коллегами, которые отлично знали о космической радиации, отправил имевшуюся у него информацию администратору НАСА Хью Драйдену, но тот проигнорировал ее.
Один из якобы посетивших Луну астронавтов Коллинз в своей книге упоминал о космической радиации только дважды:
«По крайней мере, Луна была далеко за пределами земных поясов Ван Аллена, что предвещало хорошую дозу радиации для тех, кто побывал там, и смертельную - для тех, кто задержался».
«Таким образом, радиационные пояса Ван Аллена, окружающие Землю, и возможность солнечных вспышек требуют понимания и подготовки, чтобы не подвергать экипаж повышенным дозам радиации».
Так что же означает «понимание и подготовка»? Означает ли это, что за пределами поясов Ван Аллена остальной космос свободен от радиации? Или у НАСА была секретная стратегия укрытия от солнечных вспышек после принятия окончательного решения об экспедиции?
НАСА утверждало, что просто может предсказывать солнечные вспышки, и поэтому отправляло на Луну астронавтов тогда, когда вспышек не ожидалось, и радиационная опасность для них была минимальна.
Пока Армстронг и Олдрин выполняли работу в открытом космосе
на поверхности Луны,Майкл Коллинз
ставался на орбите (архив НАСА)
Впрочем, другие специалисты утверждают: «Возможно предсказать только приблизительную дату будущих максимальных излучений и их плотность».
Советский космонавт Леонов все же вышел в 1966 году в открытый космос - правда, в сверхтяжелом свинцовом костюме. Но спустя всего лишь три года американские астронавты прыгали на поверхности Луны, причем отнюдь не в сверхтяжелых скафандрах, а скорее совсем наоборот! Может, за эти годы специалисты из НАСА сумели найти какой-то сверхлегкий материал, надежно защищающий от радиации?
Однако исследователи вдруг выясняют, что по крайней мере «Аполлон-10», «Аполлон-11» и «Аполлон-12» отправились в путь именно в те периоды, когда количество солнечных пятен и соответствующая солнечная активность приближались к максимуму. Общепринятый теоретический максимум 20-го солнечного цикла длился с декабря 1968 по декабрь 1969 гг. В этот период миссии «Аполлон-8», «Аполлон-9», «Аполлон-10», «Аполлон-11» и «Аполлон-12» предположительно вышли за пределы зоны защиты поясов Ван Аллена и вошли в окололунное пространство.
Дальнейшее изучение ежемесячных графиков показало, что единичные солнечные вспышки - явление случайное, происходящее спонтанно на протяжении 11-летнего цикла. Бывает и так, что в «низкий» период цикла случается большое количество вспышек за короткий промежуток времени, а во время «высокого» периода - совсем незначительное количество. Но важно именно то, что очень сильные вспышки могут иметь место в любое время цикла.
В эпоху «Аполлонов» американские астронавты провели в космосе в общей сложности почти 90 дней. Поскольку радиация от непредсказуемых солнечных вспышек долетает до Земли или Луны менее чем за 15 минут, защититься от нее можно было бы только с помощью свинцовых контейнеров. Но если мощности ракеты хватило, чтобы поднять такой лишний вес, то почему надо было выходить в космос в тонюсеньких капсулах (буквально в 0,1 мм алюминия) при давлении в 0,34 атмосфер?
Это притом, что даже тонкий слой защитного покрытия, именуемого «майларом», по утверждениям экипажа «Аполлон-11», оказался столь тяжек, что его пришлось срочно стирать с лунного модуля!
Похоже, в лунные экспедиции НАСА отбирало особенных парней, правда, с поправкой на обстоятельства, отлитых не из стали, а из свинца. Американский исследователь проблемы Ральф Рене не поленился рассчитать, как часто каждая из якобы состоявшихся лунных экспедиций должна была попасть под солнечную активность.
Между прочим, один из авторитетных сотрудников НАСА (заслуженный физик, кстати) Билл Модлин в своей работе «Перспективы межзвездных путешествий» откровенно сообщал: «Солнечные вспышки могут выбрасывать ГэВ протоны в том же энергетическом диапазоне, что и большинство космических частиц, но гораздо более интенсивные. Увеличение их энергии при усиленной радиации представляет особую опасность, поскольку ГэВ протоны проникают сквозь несколько метров материала… Солнечные (или звездные) вспышки с выбросом протонов - это периодически возникающая очень серьезная опасность в межпланетном пространстве, которая обеспечивает дозу радиации в сотни тысяч рентген за несколько часов на расстоянии от Солнца до Земли. Такая доза является смертельной и в миллионы раз превышает допустимую. Смерть может наступить уже после 500 рентген за короткий промежуток времени».
Да, бравые американские парни потом должны были сиять похлеще четвертого чернобыльского энергоблока. «Космические частицы опасны, они исходят со всех сторон и требуют как минимум двух метров плотного экрана вокруг любых живых организмов». А ведь космические капсулы, которые по сей день демонстрирует НАСА, имели чуть более 4 м в диаметре. При толщине стен, рекомендуемой Модлиным, астронавты, даже без всякого оборудования, в них бы не влезли, уж не говоря о том, что и не хватило бы топлива для того, чтобы такие капсулы поднять. Но, очевидно, ни руководство НАСА, ни посланные им на Луну астронавты книжек своего коллеги не читали и, находясь в блаженном неведении, преодолели все тернии по дороге к звездам.
Впрочем, может быть, НАСА и впрямь разработало для них некие сверхнадежные скафандры, используя (понятно, очень засекреченный) сверхлегкий материал, защищающий от радиации? Но почему же его так больше нигде и не использовали, как говорится, в мирных целях? Ну ладно, с Чернобылем СССР они не захотели помогать: все-таки перестройка еще не началась. Но ведь, к примеру, в 1979 году в тех же США на АЭС «Тримайл-Айленд» произошла крупная авария реакторного блока, которая привела к расплавлению активной зоны реактора. Так что же американские ликвидаторы не использовали космические скафандры по столь разрекламированной технологии НАСА стоимостью ни много ни мало в $7 млн, чтобы ликвидировать эту атомную мину замедленного действия на своей территории?..
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.
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).
Биомедицинские решения. Тело человека способно исправлять нарушения в ДНК, вызванные незначительными дозами радиации. Если усилить эту способность, космонавты смогут переносить длительное облучение космической радиацией. Подробнее
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).
А ещё изобретатели биоскафандра говорят о перспективном самозатягивании полимерных плёнок при небольших повреждениях.
Когда такое станет возможным, не берётся предсказать даже сама госпожа профессор Дава Ньюман. Может, через десять лет, может - через пятьдесят.
Но ведь если не начать идти к этому результату сейчас - "фантастическое будущее" не наступит.
Такое понятие как солнечная радиация стало известным довольно-таки давно. Как показали многочисленные исследования, оно далеко не всегда виновно в повышении уровня ионизации воздуха.
Данная статья предназначена для лиц старше 18 лет
А вам уже исполнилось 18?
Космическая радиация: правда или миф?
Космические лучи — это излучение, которое появляется при взрыве сверхновой звезды, а также как следствие термоядерных реакций на Солнце. Разная природа происхождения лучей влияет и на их основные характеристики. Космические лучи, которые проникают из космоса вне нашей Солнечной системы условно можно поделить на два вида — галактические и межгалактические. Последний вид остается наименее изученным, так как концентрация первичной радиации в нем минимальна. То есть особого значения межгалактическое излучение не имеет, так как полностью нейтрализуется в нашей атмосфере.
К сожалению, так же немного можно сказать и о лучах, пришедших к нам из нашей галактики под названием Млечный Путь. Несмотря на то, что ее размер превышает 10000 световых лет, любые изменения радиационного поля в одном конце галактики немедленно аукнутся в другом.
Опасность радиации из космоса
Прямая космическая радиация губительна для живого организма, поэтому ее влияние крайне опасно для человека. К счастью, наша Земля надежно защищена от этих космических пришельцев плотным куполом из атмосферы. Он служит прекрасной защитой всего живого на земле, так как нейтрализует прямую космическую радиацию. Но не полностью. При столкновении с воздухом она распадается на более мелкие частички ионизирующего излучения, каждая из которых вступает в индивидуальную реакцию с его атомами. Таким образом, высокоэнергетическое излучение из космоса ослабевает, и образует вторичное излучение. При этом оно теряет свою смертоносность — уровень радиации становится приблизительно таким же, как и в рентгеновских лучах. Но пугаться не стоит — это излучение полностью исчезает во время прохождения через атмосферу Земли. Какими бы ни были источники космических лучей, и какую мощь они бы не имели — опасность для человека, который находится на поверхности нашей планеты, минимальна. Ощутимый вред она может принести только космонавтам. Они подвержены прямому космическому излучению, так как не имеют естественной защиты в виде атмосферы.
Энергия, выделяемая космическими лучами, в первую очередь влияет на магнитное поле Земли. Заряженные ионизирующие частицы буквально бомбардируют его и становятся причиной самого красивого атмосферного явления — . Но это еще не все — радиоактивные частицы, в виду своей природы, способны вызывать сбои в работе различной электроники. И если в прошлом веке это не вызывало особого дискомфорта, то в наше время это весьма серьезная проблема, так как на электрике завязаны самые важные аспекты современной жизни.
Люди также восприимчивы к этим гостям из космоса, хотя механизм воздействия космических лучей весьма специфичен. Ионизированные частички (то есть вторичное излучение) воздействует на магнитное поле Земли, вызывая тем самым бури в атмосфере. Всем известно, что организм человека состоит из воды, которая очень восприимчива к магнитным колебаниям. Таким образом, космическое излучение влияет на сердечнососудистую систему, и становится причиной плохого самочувствия у метеозависимых людей. Это, конечно же, неприятно, но отнюдь не смертельно.
Что защищает Землю от солнечной радиации?
Солнце — это звезда, в недрах которой постоянно проходят разнообразные термоядерные реакции, которые сопровождаются сильными энергетическими выбросами. Эти заряженные частицы называются солнечный ветер и достаточно сильно влияют на нашу Землю, вернее на ее магнитное поле. Именно с ним взаимодействуют ионизированные частицы, которые составляют основу солнечного ветра.
Согласно новейшим исследованиям ученых со всего мира, особую роль в нейтрализации солнечного ветра отыгрывает плазменная оболочка нашей планеты. Происходит это следующим образом: солнечное излучение сталкивается с магнитным полем Земли и рассеивается. Когда его слишком много, удар на себя принимает плазменная оболочка, происходит процесс взаимодействия, схожий с коротким замыканием. Следствием такой борьбы могут стать трещины в защитном щите. Но природа и это предусмотрела — потоки холодной плазмы поднимаются с поверхности Земли и устремляются в места ослабленной защитой. Таким образом, магнитное поле нашей планеты отражает удар из космоса.
Но стоит констатировать тот факт, что солнечная радиация, в отличие от космической, все же попадает на Землю. При этом не стоит переживать понапрасну, ведь по сути это энергия Солнца, которая должна попадать на поверхность нашей планеты в рассеянном состоянии. Таким образом, она нагревает поверхность Земли и помогает развивать жизнь на ней. Так, стоит четко разграничивать разные виды радиации, ведь некоторые из них не только не имеют негативного воздействия, но и необходимы для нормального функционирования живых организмов.
Однако на Земле далеко не все вещества одинаково восприимчивы к солнечной радиации. Существуют поверхности, которые больше других поглощают ее. Это, как правило, подстилающие поверхности с минимальным уровнем альбедо (способность к отражению солнечной радиации) — это земля, лес, песок.
Таким образом, температура на поверхности Земли, а также продолжительность светового дня напрямую зависит от того, какое количество солнечной радиации поглощает атмосфера. Хочется сказать, что основной объем энергии все же доходит до поверхности нашей планеты, ведь воздушная оболочка Земли служит преградой лишь для лучей инфракрасного спектра. А вот УФ лучи нейтрализуются лишь частично, что приводит к некоторым проблемам с кожными покровами у людей и животных.
Влияние солнечной радиации на организм человека
При воздействии лучей инфракрасного спектра солнечной радиации однозначно проявляется тепловой эффект. Он способствует расширению сосудов, стимуляции работы сердечнососудистой системы, активизирует кожное дыхание. Как следствие происходит расслабление основных систем организма, усиливается выработка эндорфинов (гормонов счастья), обладающих болеутоляющим и противовоспалительным эффектом. Тепло также влияет на обменные процессы, активизируя метаболизм.
Световое излучение солнечной радиации оказывает значительное фотохимическое воздействие, которое активизирует важные процессы в тканях. Этот вид солнечной радиации позволяет человеку использовать одну из самых важных систем осязания внешнего мира — зрение. Именно этим квантам мы должны быть благодарны за то, что видим все в красках.
Важные факторы влияния
Солнечное излучение инфракрасного спектра также стимулирует мозговую деятельность и отвечает за психическое здоровье человека. Немаловажно и то, что именно этот вид солнечной энергии влияет на наши биологические ритмы, то есть на фазы активной деятельности и сна.
Без световых частиц многие жизненно важные процессы оказались бы под угрозой, что чревато развитием различных заболеваний, в том числе бессонницы и депрессии. Так же при минимальном контакте со световой солнечной радиацией существенно снижается трудоспособность человека, а также замедляется большинство процессов в организме.
УФ-излучение достаточно полезно для нашего организма, так как оно запускает также иммунологические процессы, то есть стимулирует защитные силы организма. Также оно нужно для выработки порфирита — аналога растительного хлорофилла в нашей коже. Однако избыток УФ-лучей может привести к ожогам, поэтому очень важно знать, как правильно защититься от этого в период максимальной солнечной активности.
Как видите, польза солнечной радиации для нашего организма несомненна. Многие очень переживают, впитывает ли еда этот вид радиации и не опасно ли есть зараженные продукты. Повторюсь — солнечная энергия не имеет ничего общего с космическим или атомным излучением, а значит, и опасаться ее не стоит. Да и было бы бессмысленно избегать ее... Способа того, как спастись от Солнца никто пока не искал.
