Способы защиты от космической радиации

METHODS OF PROTECTION FROM SPACE RADIATION

Maxim Arevkov

Assistant, Amur State University, Russia, Blagoveshchensk

Valeriya Berezovskaya

Student, Amur State University, Russia, Blagoveshchensk
 

Аннотация. Пилотируемые полеты к другим планетам невозможны без защиты от радиации. Рассмотрены и проанализированы различные виду радиации и актуальны способы защиты от неё. Предложен оптимальный вариант защиты от космической радиации.

Abstract. Manned flights to other planets are impossible without radiation protection. Various types of radiation have been examined and analyzed and ways of protecting against it are relevant. The optimal protection against space radiation is offered.

Ключевые слова: космическая радиация, экранирование, магнитная защиты, электростатическая защита.

Keywords: space radiation, shielding, magnetic protection, electrostatic protection.

Освоению дальнего космоса человечеству мешает космическое излучение. При длительном полете в межпланетном пространстве космическая радиация поражает ДНК и РНК, нарушает обмен веществ, снижает иммунитет и активизирует развитие новообразований. Радиацию можно условно разделить на 2 типа: солнечная и галактическая.

Солнечное излучение – это потоки элементарных частиц и ядер атомов, которые с высокой энергией разлетаются от Солнца. Их воздействие считается менее мощным, по сравнению с галактическими, но они опасны своей внезапностью.

Галактическое излучение – это ядра атомов всех элементов таблицы Менделеева, разогнанные до околосветовых скоростей. Источниками такого излучения являются процессы в Галактике, сопровождающиеся высоким выделением энергии. К таким процессам относятся взрывы сверхновых, которые произошли миллионы лет назад. На Земле люди защищены от галактической радиации магнитосферой, а на расстояниях выше околоземной орбиты частицы способны проникать сквозь обшивку корабля и даже десятки метров воды. Галактические частицы наиболее опасны при межпланетных перелетах. Во время полета к Марсу космонавты будут получать дозы порядка 80 бэр в год. Для сравнения допустимое облучение персонала атомных станций составляет 5 бэр в год. Таким образом, от рака погибнут каждый десятый мужчина и каждая шестая женщина. 

Современные средства защиты от радиации, применяемые при полетах на небольшие расстояния, не подходят для многолетних путешествий. Именно поэтому разрабатываются новые методы защиты от космического излучения.

Для людей, работающих с радиацией на Земле, защита от вредного воздействия обеспечивается за счет увеличения экранирования. К сожалению, экранирование в космосе проблематично, особенно при воздействии галактических лучей. Высокоэнергетическое излучение обладает огромной проникающей способностью. Тонкое или умеренное экранирование простым веществом эффективно для эквивалентной дозы, но при увеличении толщины эффективность снижается. Это является результатом образования большого количества вторичных частиц, в том числе нейтронов, вызванных ядерным взаимодействием галактического космического излучения с экраном. Эти частицы обладают меньшей энергией, но могут иметь более высокие качественные характеристики, чем падающая первичная частица. [1]

Кроме того, экраны значительно увеличивают массу. Тяжелая нагрузка, добавленная исключительно для защиты от радиационного излучения, несет за собой высокий штраф при запуске, а значит и увеличение стоимости миссии в целом. Стандартная защита, обеспечиваемая стенкой космического корабля, составляет около 5 г/см² Al, но эффективный экран на МКС близок к 20 г/см² Al в некоторых местах из-за наличия полезных нагрузок и стоек. Эта толщина Al способна остановить все протоны при энергиях ниже 100-200 МэВ, поэтому она считается эффективной для захваченного излучения и большинства солнечных космических лучей. Протоны с энергией выше нескольких МэВ могут проникать через кожу и накапливать свою энергию во внутренних органах тела. [1]

Вода, которая присутствует в системах жизнеобеспечения, может создавать защиту. В период увеличения солнечных вспышек, на борту МКС увеличивают защитный слой с помощью влажных салфеток. Но этот способ имеет один недостаток. Предполагается, что для защиты от радиации во время межпланетных перелетов потребуется защитный слой толщиной 5 м, что увеличит общую массу на несколько сотен тонн. Для современной космонавтики такая грузоподъемность еще неосуществима. [2]

В ходе экспериментов было установлено, что в воде главная роль принадлежит водороду. Атом водорода имеет только один протон в ядре, который способен «тормозить» радиацию. В атомах с большей молярной массой протоны загораживают друг друга, в результате этого радиация их не достигает. Но для использования чистого водорода необходимы массивные герметичные баки. Считается, что хорошим компромиссом может стать полиэтилен. НАСА уже проводило исследование с более легкими полиэтиленовыми плитами в спальных помещениях экипажа. Измерения дозы соответствовали снижению дозы примерно на 20% в экранированной зоне. (нет официальных подтверждений) [1]

В настоящее время считается перспективным использование активного способа защиты. Этот способ предполагает отклонение заряженных частиц за пределы защищаемого объекта с помощью созданного электростатического или магнитного поля.

Защита магнитным полем. На заряженную частицу, движущуюся поперек магнитного поля, действует сила, направленная перпендикулярно направлению движения. На низких широтах магнитное поле Земли способно отбрасывать слабо заряженную частицу обратно в космическое пространство. Это явление можно повторить на космических кораблях с помощью мощного магнита. Магнитный экран предлагается сделать в форме тороидального соленоида. По оси тороида будут пустоты, пропускающие радиацию, но их можно ликвидировать заглушками из иного материала. Магнитные силовые линии по своей природе замкнуты, поэтому логичнее предложить соленоид, который может экранировать тороидальный жилой модуль, как в проекте Nautilus X. Такая форма позволяет создать искусственную гравитацию и защитить экипаж от космической радиации. В настоящее время не было предложено способа защиты жилого отсека космонавтов от магнитной индукции в 20 Тл, а также возможности обеспечить достаточным количеством энергии систему. [3]

Электростатическая защита. Этот способ предполагает отражать заряженные протоны и ядра электрическим полем. Эффект защиты достигается тем, что на противостоящих поверхностях заряды имеют одинаковые значения и противоположны по знаку. Наиболее перспективным считается использование многослойных сферических оболочек. Электрическое поле будет сконцентрировано между обкладками такого конденсатора. А все, что находится вне этого пространства будет иметь поле равное нулю. При движении заряженной частицы, которая имеет одинаковый по знаку заряд с электрическим полем между обкладками, она будет тормозиться. Но этот способ не обеспечивает защиту при движении частицы с противоположенным знаком. Для того, чтобы тормозить и отражать частицы галактического излучения, внутренняя сфера должна быть заряжена положительно, а внешняя отрицательно. Разность потенциалов должна быть постоянной – 2 ГэВ. Этот способ требует больших энергетических затрат для предотвращения разряда конденсатора. [3]

Электромагнитная защита. Представляет собой одновременное использование свойств электростатического и магнитного полей. При проникновении через стенки космического аппарата слабо заряженных частиц целесообразно использовать рекуператор энергии. Поступающий поток частиц вводится в патрубок, под воздействием однородного магнитного поля разделяется на ионы разной энергии. Быстрые атомы проходят ионный тракт без взаимодействия с полями и поступают в открытую магнитную ловушку.  Такой метод позволяет повысить стабильность источников плазмы с требуемыми параметрами для эффективной работы рекуператоров энергии заряженных частиц, которые целесообразно устанавливать у полюсов магнитного поля N и S открытой магнитной ловушки.[4]

Недостатком рекуператора являются большие массогабаритные характеристики, невозможность накапливать электростатический заряд в больших объемах, низкий КПД, использование характерного размера из-за действий рассеянного магнитного поля. [5]

Также направлением исследований является разработка лекарств, которые усиливают естественную способность организма восстанавливать повреждения, вызванные радиацией. Некоторые из рассматриваемых материалов – это ретиноиды, витамины с антиоксидантными свойствами, а также молекулы, которые замедляют деление клеток. Владикавказский научный центр РАН разработал вакцину, эффективность которой подтверждена на животных. Ученым удалось выделить из лимфы животного вещество радиотоксин, которое разрушает организм при воздействии радиации. На основе этого вещества и сделана вакцина. Предполагается, что создание вакцины приведет к отказу от радиационной защиты на кораблях, что заметно упростит миссию.

Выводы. Проведен анализ существующих способов зашиты космических аппаратов от космической радиации. Единственным доступным способом защиты является пассивное экранирование, но оно не подходит для продолжительных миссий. Активное экранирование, особенно тороидальные магнитные конфигурации, считаются перспективными, но еще недостаточно развито для космических полетов.