Влияние космической радиации на человека. Космическая радиация: правда или миф? Что нам дает близнец-донор

Кто же не мечтал о полётах в космос, даже зная, что такое космическая радиация? Хотя бы на орбиту Земли или на Луну улететь, а ещё лучше - подальше, на Орион какой-нибудь. На самом деле, человеческий организм очень мало приспособлен к подобным путешествиям. Даже при полёте на орбиту космонавты сталкиваются со многими опасностями, угрожающими их здоровью, а иногда и жизни. Все смотрели культовый сериал "Звёздный путь". Один из замечательных персонажей там дал очень точную характеристику такому явлению, как космическая радиация. "Это опасности и болезни во тьме и безмолвии" - сказал Леонард Маккой, он же Костлявый, он же Костоправ. Точнее выразиться очень трудно. Космическая радиация в путешествии сделает человека усталым, слабым, больным, страдающим от депрессии.

Ощущения в полёте

Человеческий организм к жизни в безвоздушном пространстве не приспособлен, поскольку эволюция не включала в свой арсенал такие способности. Об этом написаны книги, этот вопрос во всех подробностях изучается медициной, созданы во всём мире центры, исследующие проблемы медицины в космосе, в экстремальных условиях, на больших высотах. Конечно, забавно смотреть, как улыбается на экране космонавт, вокруг которого плавают в воздухе различные предметы. На самом деле, его экспедиция гораздо более серьёзна и чревата последствиями, чем представляется простому жителю с Земли, и здесь не только космическая радиация создаёт неприятности.

По просьбе журналистов астронавты, инженеры, учёные, на собственном опыте испытавшие всё, что происходит с человеком в космосе, рассказали о последовательности разнообразных новых ощущений в чуждой для организма искусственно созданной среде. Буквально через десять секунд после начала полёта неподготовленный человек теряет сознание, потому что ускорение космического аппарата возрастает, отделяя его от пускового комплекса. Человек пока не так сильно, как в открытом космосе, ощущает космические лучи - радиация поглощается атмосферой нашей планеты.

Основные неприятности

Но хватает и перегрузок: человек становится раза в четыре тяжелее собственного веса, в кресло его буквально вдавливает, даже рукой пошевелить трудно. Все видели эти специальные кресла, например, в космическом аппарате "Союз". Но не все поняли, почему у космонавта такая странная поза. Однако она необходима, потому что перегрузки отправляют почти всю кровь в организме вниз, в ноги, и мозг остаётся без кровоснабжения, отчего и случаются обмороки. Но изобретённое в Советском Союзе кресло помогает избежать хотя бы этой неприятности: поза с приподнятыми ногами заставляет кровь снабжать кислородом все участки головного мозга.

Через десять минут после начала полёта отсутствие гравитации заставит человека почти утратить чувство равновесия, ориентацию и координацию в пространстве, человек даже движущиеся объекты может не отследить. Его тошнит и рвёт. То же самое могут вызвать и космические лучи - радиация здесь уже значительно сильнее, а если случается выброс плазмы на солнце, угроза жизни космонавтов на орбите реальна, даже пассажиры авиалайнеров могут пострадать в полёте на большой высоте. Изменяется зрение, случаются отёк и изменения на сетчатке глаз, глазное яблоко деформируется. Человек становится слабым и не может выполнять задачи, которые перед ним стоят.

Загадки

Однако время от времени люди ощущают и на Земле высокую космическую радиацию, им для этого совершенно не обязательно бороздить космические просторы. Нашу планету постоянно бомбардируют лучи космического происхождения, и учёные предполагают, что далеко не всегда наша атмосфера обеспечивает достаточную защиту. Есть множество теорий, которые наделяют эти энергетические частицы такой силой, которая значительно ограничивает шансы планет на возникновение жизни на них. Во многом природа этих космических лучей всё ещё является для наших учёных неразрешимой загадкой.

Субатомные заряженные частицы в космосе движутся практически со скоростью света, их уже зарегистрировали неоднократно и на спутниках, и даже на Это ядра химических элементов, протоны, электроны, фотоны и нейтрино. Также не исключается присутствие в атаке космической радиации частиц - тяжёлой и сверхтяжёлой. Если бы удалось их обнаружить, был бы разрешён целый ряд противоречий в космологических и астрономических наблюдениях.

Атмосфера

Что нас защищает от космической радиации? Только наша атмосфера. Угрожающие гибелью всему живому космические лучи сталкиваются в ней и генерируют потоки других частиц - безвредных, в том числе и мюонов, значительно более тяжёлых родственников электронов. Потенциальная опасность всё-таки существует, поскольку некоторые частицы достигают поверхности Земли и проникают на многие десятки метров в её недра. Уровень радиации, который получает любая планета, показывает пригодность или непригодность её для жизни. Высокая которую несут с собой космические лучи, намного превышает излучение от собственной звезды, потому что энергия протонов и фотонов, например, нашего Солнца - ниже.

А с высокой жизнь невозможна. На Земле эта доза контролируется силой магнитного поля планеты и толщиной атмосферы, именно они значительно уменьшают опасность космической радиации. Например, на Марсе вполне могла бы быть жизнь, но атмосфера там ничтожно мала, собственного магнитного поля нет, а значит нет и защиты от космических лучей, которые пронизывают весь космос. Уровень радиации на Марсе огромен. А влияние космической радиации на биосферу планеты таково, что всё живое на ней погибает.

Что важнее?

Нам повезло, у нас есть и толща атмосферы, окутывающая Землю, и собственное достаточно мощное магнитное поле, поглощающее зловредные частицы, долетевшие до земной коры. Интересно, чья защита для планеты работает активнее - атмосферы или магнитного поля? Исследователи экспериментируют, создавая модели планет, снабжая их магнитным полем или не снабжая. И само магнитное поле отличается у этих моделей планет по силе. Ранее учёные были уверены, что именно оно является главной защитой от космической радиации, поскольку контролируют её уровень на поверхности. Однако обнаружилось, что количество облучения определяет в большей степени толщина атмосферы, которая укрывает планету.

Если на Земле "отключить" магнитное поле, доза облучения вырастет всего в два раза. Это очень много, но даже на нас отразится довольно малоощутимо. А если оставить магнитное поле и убрать атмосферу до одной десятой общего её количества, тогда доза возрастёт убийственно - на два порядка. Страшная космическая радиация убьёт на Земле всё и вся. Наше Солнце - желтая карликовая звезда, именно вокруг них планеты считаются основными претендентами на обитаемость. Это звёзды относительно тусклые, их много, около восьмидесяти процентов от общего количества звёзд в нашей Вселенной.

Космос и эволюция

Теоретики подсчитали, что такие планеты на орбитах желтых карликов, которые находятся в зонах, пригодных для жизни, имеют гораздо более слабые магнитные поля. Особенно этим отличаются так называемые супер-Земли - большие скалистые планеты массой в десять раз больше нашей Земли. Астробиологи были уверены, что слабость магнитных полей значительно снижает шансы на пригодность для жизни. И теперь новые открытия говорят о том, что это не настолько масштабная проблема, как привыкли думать. Главное - была бы атмосфера.

Учёными всесторонне изучается влияние возрастающего излучения на существующие живые организмы - животных, а также на разнообразные растения. Связанные с радиацией исследования заключаются в том, что их подвергают облучению в разной степени, от малых до предельных, и затем определяют - выживут ли они и насколько иначе будут себя чувствовать, если выживут. Микроорганизмы, на которые влияет постепенно возрастающая радиация, возможно, покажут нам, как происходила на Земле эволюция. Именно космические лучи, высокая радиация их когда-то заставили будущего человека слезть с пальмы и заняться изучением космоса. И больше уже никогда человечество на деревья не вернётся.

Космическая радиация 2017 года

В начале сентября 2017-го вся наша планета была сильно встревожена. Солнце внезапно выбросило тонны солнечного вещества после слияния двух больших групп тёмных пятен. И этот выброс сопровождался вспышками класса Х, которые заставили магнитное поле планеты работать буквально на износ. Последовала большая магнитная буря, вызвавшая недомогания у многих людей, а также исключительно редкие, практически небывалые природные явления на Земле. Например, под Москвой и в Новосибирске были зафиксированы мощные картины северного сияния, никогда не бывавшие в этих широтах. Однако красота таких явлений не заслонила последствия убийственной солнечной вспышки, пронизавшей планету космической радиацией, которая оказалась по-настоящему опасна.

Мощность её была близка к максимальной, Х-9,3, где буква - класс (экстремально большая вспышка), а число - сила вспышки (из десяти возможных). Вместе с этим выбросом появилась угроза отказа систем космической связи и всей техники, находящейся на Космонавты были вынуждены пережидать этот поток страшной космической радиации, которую несут космические лучи, в специальном убежище. Качество связи в эти двое суток значительно ухудшилось и в Европе, и в Америке, именно там, куда был направлен поток заряженных частиц из космоса. Примерно за сутки до момента, когда частицы достигли поверхности Земли, было сделано предупреждение о космической радиации, которое прозвучало на всех континентах и в каждой стране.

Мощь Солнца

Энергия, выбрасываемая нашим светилом в окружающее космическое пространство, поистине огромна. В течение нескольких минут в космос улетают многие миллиарды мегатонн, если считать в тротиловом эквиваленте. Человечество столько энергии сможет выработать современными темпами только за миллион лет. Всего лишь пятая часть всей энергии, излучаемой Солнцем в секунду. И это наш маленький и не слишком горячий карлик! Если только представить себе, сколько губительной энергии вырабатывают остальные источники космической радиации, рядом с которыми наше Солнышко покажется практически невидимой песчинкой, голова пойдёт кругом. Какое счастье, что у нас хорошее магнитное поле и отличная атмосфера, которые не дают нам погибнуть!

Люди ежедневно подвергаются такой опасности, поскольку радиоактивное излучение в космосе никогда не иссякает. Именно оттуда к нам приходит большая часть радиации - из чёрных дыр и от скоплений звёзд. Она способна убивать при большой дозе облучения, а при малой - делать из нас мутантов. Однако нужно помнить и то, что эволюция на Земле произошла благодаря таким потокам, радиация изменила структуру ДНК до того состояния, которое мы наблюдаем сегодня. Если же перебрать этого "лекарства", то есть, если испускаемая звёздами радиация превысит допустимые отметки, процессы будут необратимы. Ведь если существа мутируют, к первоначальному состоянию они уже не вернутся, нет здесь никакого обратного эффекта. Поэтому мы уже никогда не увидим те живые организмы, которые присутствовали в новорождённой на Земле жизни. Любой организм пытается подстроиться под изменения, происходящие в окружающей среде. Или погибает, или подстраивается. Но обратной дороги нет.

МКС и солнечная вспышка

Когда Солнце послало нам свой приветик с потоком заряженных частиц, МКС как раз проходила между Землёй и светилом. Высокоэнергичные протоны, высвобожденные при взрыве, создали абсолютно нежелательный радиационный фон в пределах станции. Эти частицы пробивают насквозь совершенно любой космический корабль. Тем не менее, космическую технику это излучение пощадило, поскольку удар был мощным, но слишком коротким, чтобы вывести её из строя. Однако экипаж всё это время прятался в специальном укрытии, потому что человеческий организм гораздо уязвимее современной техники. Вспышка была не одна, они шли целой серией, а началось всё это 4 сентября 2017 года, чтобы 6 сентября потрясти космос экстремальным выбросом. За последние двенадцать лет более сильного потока на Земле ещё не наблюдали. Облако плазмы, которое выбросило Солнце, настигло Землю гораздо раньше намеченного срока, значит, скорость и мощность потока превысили ожидаемую в полтора раза. Соответственно и удар по Земле был гораздо более сильным, чем рассчитывали. На двенадцать часов облако опередило все расчёты наших учёных, и соответственно сильнее возмутило магнитное поле планеты.

Мощность магнитной бури получилась на оценку четыре из пяти возможных, то есть - в десять раз больше предполагаемой. В Канаде полярные сияния тоже наблюдались даже в средних широтах, как и в России. Планетарного характера магнитная буря случилась на Земле. Можно себе представить, что там творилось в космосе! Радиация - самая значительная опасность из всех там существующих. Защита от неё нужна немедленно, как только космический корабль покидает верхние слои атмосферы и оставляет далеко внизу магнитные поля. Потоки незаряженных и заряженных частиц - радиационное излучение - постоянно пронизывают космос. Такие же условия нас ждут на любой планете Солнечной системы: магнитного поля и атмосферы на наших планетах нет.

Виды радиации

В космосе самой опасной считается ионизирующая радиация. Это гамма-излучение и рентгеновские лучи Солнца, это частицы, летящие после хромосферных солнечных вспышек, это внегалактические, галактические и солнечные космические лучи, солнечный ветер, протоны и электроны радиационных поясов, альфа-частицы и нейтроны. Есть и неионизирующая радиация - это ультрафолетовое и инфракрасное излучения от Солнца, это электромагнитное излучение и видимый свет. В них большой опасности нет. Нас защищает атмосфера, а космонавта - скафандр и обшивка корабля.

Ионизирующая радиация же доставляет непоправимые беды. Это вредное действие на все жизненные процессы, которые протекают в человеческом организме. Когда частица высокой энергии или фотон проходят через вещество, находящееся на их пути, они образуют в результате взаимодействия с этим веществом пару заряженных частиц - ион. Даже на неживом веществе это сказывается, а живое реагирует наиболее бурно, поскольку организация высокоспециализированных клеток требует обновления, и процесс этот, покуда жив организм, происходит динамически. И чем выше уровень эволюционного развития организма, тем более необратимым получается радиационное поражение.

Защита от облучения

Учёные ищут такие средства в самых разных областях современной науки, в том числе и в фармакологии. Пока что ни один препарат эффективных результатов не даёт, и подвергшиеся радиационному облучению люди продолжают погибать. Эксперименты проводятся на животных и на земле, и в космосе. Единственное, что стало понятно, - это то, что любой препарат должен быть принят человеком до начала облучения, а не после.

А если учесть, что все такие лекарства токсичны, то можно считать, что борьба с последствиями радиации пока ни к одной победе не привела. Даже если фармакологические средства приняты вовремя, они обеспечивают защиту только от гамма-излучения и рентгеновских лучей, но не защищают от ионизирующего излучения протонов, альфа-частиц и быстрых нейтронов.

Даже если бы межпланетные полеты были реальностью, ученые все чаще говорят о том, что человеческий организм с чисто биологической точки зрения поджидают все больше опасностей. Одной из главных опасностей специалисты называют жесткое космическое радиационное излучение. На других планетах, например на том же Марсе, это излучение будет таким, что оно в разы ускорит наступление болезни Альцгеймера.

"Космическое излучение представляет собой очень значительную угрозу для будущих космонавтов. Возможность того, что космическое радиационное облучение может привести к возникновению проблем со здоровьем, таких как рак, уже давно признана", - говорит Керри О"Банион, доктор неврологии из Медицинского центра при Университете Рочестера. "Наши опыты также достоверно установили, что жесткое излучение также провоцирует ускорение изменений в головном мозге, связанных с болезнью Альцгеймера".

По словам ученых, все космическое пространство буквально пронизано радиационным излучением, тогда как толстая земная атмосфера защищает нашу планету от него. Влияние радиации на себе могут ощутить уже и участники кратковременных полетов на МКС, хотя формально они находятся на низкой орбите, где защитный купол земной гравитации еще работает. Особенно активно радиационное излучение работает в те моменты, когда на Солнце происходят вспышки с последующими выбросами радиационных частиц.

Ученые говорят, что уже сейчас в НАСА вплотную работает над различными подходами, связанными с защитой человека от космической радиации. Впервые космическое ведомство начало финансирование "радиационных исследований" еще 25 лет назад. Сейчас значительная часть инициатив в этой области связана с исследованиями на предмет того, как уберечь будущих марсонавтов от жесткой радиации на Красной планете, где нет такого же атмосферного купола, как на Земле.

Уже сейчас специалисты говорят с очень большой вероятностью о том, что марсианская радиация провоцирует онкологические заболевания. Еще большие объемы излучения есть вблизи астероидов. Напомним, что миссию на астероид с участием человека НАСА планирует на 2021 год, а на Марс - не позже 2035 года. Полет на Марс и обратно с некоторым пребыванием там может занять около трех лет.

Как рассказали в НАСА, сейчас доказано, что космическая радиация провоцирует, помимо рака, также заболевания сердечно-сосудистой системы, костно-мышечной и эндокринной. Сейчас же специалисты из Рочестера выявили и еще один вектор опасности: в рамках исследований было установлено, что высокие дозы космической радиации провоцируют заболевания связанные с нейродегенерацией, в частности активируют процессы, которые способствуют развитию болезни Альцгеймера. Также специалисты изучили то, как космическая радиация влияет на центральную нервную систему человека.

Специалисты на основании опытов установили, что радиоактивные частицы в космосе имеют в своей структуре ядра атомов железа, которые имеют феноменальную проникающую способность. Именно поэтому защититься от них удивительно трудно.

На Земле исследователи проводили симуляцию космической радиации в американской Брукхевенской национальной лаборатории на Лонг-Айленде, где находится специальный ускоритель элементарных частиц. В процессе экспериментов исследователи определили, сроки, в течение которых болезнь возникает и прогрессирует. Впрочем, пока исследователи проводили эксперименты на лабораторных мышах, подвергая их дозам радиации, сопоставимых с теми, что получили бы люди во время полета на Марс. После опытов практически все мыши получили нарушения в работе когнитивной системы головного мозга. Также были отмечены нарушения в работе сердечно-сосудистой системы. В головном мозге выявлены очаги накопления бета-амилоида - белка, который является верным признаком надвигающейся болезни Альцгеймера.

Ученые говорят, что они пока не знают, как побороть космическую радиацию, но они уверены, что радиация - это тот фактор, который заслуживает самого серьезного внимания при планировании будущих космических полетов.

где μ – массовый коэффициент ослабления рентгеновского излучения см 2 /г, х/ ρ – массовая толщина зашиты г/см 2 . Если рассматривают несколько слоев, тогда под экспонентой находятся несколько слагаемых со знаком минус.

Мощность поглощенной доза радиации от рентгеновского излучения за единицу времени N определяется интенсивностью излучения I и массовым коэффициентом поглощения μ EN

N = μ EN I

Для расчетов массовые коэффициенты ослабления и поглощения для разных значений энергии рентгеновского излучения взяты согласно NIST X-Ray Mass Attenuation Coefficients.

В таблице 1 приведены используемые параметры и результаты расчетов для поглощенной и эквивалентной дозы радиации от защиты.

Таблица 1. Характеристика рентгеновского излучения, коэффициенты ослабления в Al и поглощения в организме, толщина защиты, результат расчета поглощенной и эквивалентной дозы радиации за сутки*

*Примечание – толщина защиты LM-5 и скафандров “Кречет”, “ХА-25” и “ХА-15” в алюминиевом эквиваленте, что соответствует 5,6, 1,3, 0,9 и 0,6 мм листового алюминия; толщина защиты “ХО-25”, “Орлан-М” и A7L тканеэквивалентного вещества, что соответствует 2,3, 1,9 и 1,5 мм тканеэквивалента.

Данную таблицу используют для оценки дозы радиации за сутки для других значений интенсивности рентгеновского излучения, умножая на коэффициент отношения между табличным значением потока и искомым усредненным за сутки. Результаты расчетов приведена на рис. 3 и 4 в виде шкалы поглощенной дозы радиации.

Расчет показывает, что лунный модуль с защитой 1,5 г/см 2 (или 5,6 мм Al) полностью поглощает мягкое и жесткое рентгеновское излучение Солнца. Для самой мощной вспышке от 4 ноября 2003 года (по состоянию на 2013 год и регистрируемых с 1976 года) интенсивность ее рентгеновского излучения в пике составляла 28·10−4 Вт/м 2 для мягкого излучения и 4·10−4 Вт/м 2 для жесткого излучения. За сутки усредненная интенсивность составит, соответственно, 10 Вт/м 2 сут и 1,3 Вт/м 2 . Доза радиации для экипажа за сутки равна 8 рад или 0,08 Гр, что безопасно для человека.

Вероятность подобных событий, как 4 ноября 2003 года, определяется как 30 минут за 37 лет. Или равна ~1/650000 час−1. Это очень низкая вероятность. Для сравнения – среднестатистический человек проводит вне дома за всю свою жизнь ~300000 часов, что соответствует возможности быть очевидцем ренгеновского события от 4 ноября 2003 года с вероятностью 1/2.

Для определения радиационных требований к скафандру мы рассматриваем рентгеновские вспышки на Солнце, когда их интенсивность увеличивается в 50 раз для мягкого излучения и 1000 раз для жесткого излучения по отношению к среднему суточному фону максимальной активности Солнца. Согласно рис. 4, вероятность таких событий – 3 вспышки за 30 лет. Интенсивность для мягкого рентгеновского излучения будет равна 4,3 Ватт/м 2 сутки и для жесткого – 0,26 Вт/м 2 .

Радиационные требования и параметры лунного скафандра

В скафандре на поверхности Луны эквивалентные дозы радиации от рентгеновского излучения увеличиваются.

При использовании скафандра “Кречет” для табличных значений интенсивности излучения доза радиации составит 5 мрад/сут. Защиту от рентгеновского излучения обеспечивает 1,2-1,3 мм листового алюминия, уменьшая интенсивность излучения в ~e9=7600 раз. При использовании меньшей толщины листового алюминия дозы радиации увеличиваются: для 0,9 мм Al – 15 мрад/сути, для 0,6 мм Al – 120 мрад/сути.

Согласно МАГАТЭ, такой радиационный фон признан нормальным условием для человека.

При увеличении мощности излучения от Солнца до значения 0,86 Ватт/м 2 сутки доза радиации для защиты 0,6 мм Al равна 1,2 рад/сути, что находится на границе нормальных и опасных условий для здоровья человека.

Лунный скафандр “Кречет”. Вид на открытый ранцевый люк, через который космонавт входит в скафандр. В рамках советской лунной программы понадобилось создать скафандр, позволяющий достаточно длительное время работать непосредственно на Луне. Он имел название «Кречет» и стал прообразом скафандров «Орлан», которые используются сегодня на для работы в открытом космосе. Вес 106 кг.

Доза радиации увеличивается на порядок при использовании защиты тканеэквивалентного вещества (полимеры, как майлар, капрон, фетр, стекловолокно). Так для скафандра “Орлан-М” при защите 0,21 г/см 2 тканеэквивалентного вещества интенсивность излучения уменьшается в ~e3=19 раз и доза радиации от рентгеновского излучения для костной ткани организма составит 1,29 рад/сути. Для защиты 0,25 г/см 2 и 0,17 г/см 2 , соответственно, 1,01 и 1,53 рад/сути.

Экипаж Аполлон-16 Джон Янг (командир), Томас Маттингли (пилот командного модуля) и Чарльз Дьюк (пилот лунного модуля) в скафандре A7LB. Самостоятельно одеть такой скафандр сложно.

Юджин Сернан в скафандре A7LB, миссия Аполлона-17.

A7L - основной тип скафандра использовавшийся астронавтами НАСА в программе Аполлон до 1975 года.Вид с разрезом верхней одежды. Верхняя одежда включала: 1) огнеупорная ткань из стекловолокна весом 2 кг, 2) экранно-вакуумная тепловая изоляция (ЭВТИ) для защиты человека от перегрева при нахождении на Солнце и от чрезмерной потери тепла на неосвещенной поверхности Луны, представляет собой пакет из 7 слоев тонкой пленки майлара и капрона с блестящей алюминированной поверхностью, между слоями проложена тончайшая вуаль волокон дакрона, вес составлял 0,5 кг; 3) противометеорный слой из нейлона с неопреновым покрытием (толщиной 3–5 мм) и весом 2–3 кг. Внутренняя оболочка скафандра изготавливалась из прочной ткани, пластика, прорезиненной ткани и резины. Масса внутренней оболочки ~20 кг. В комплект входили шлем, рукавицы, боты и СОЖ. Масса комплекта скафандра A7L для внекорабельной деятельности 34,5 кг

При увеличении интенсивности излучения от Солнца до значения 0,86 Ватт/м 2 сутки доза радиации для защиты 0,25 г/см 2 , 0,21 г/см 2 и 0,17 г/см 2 тканеэквивалентного вещества, соответственно, равна 10,9, 12,9 и 15,3 рад/сути. Такая доза равноценна 500-700 процедурам рентгенографии грудной клетки человека.Однократная доза 10-15 рад влияет на нервную систему и психику, на 5% повышается риск заболевания лейкозом крови, наблюдают умственную отсталость у потомков родителей. По МАГАТЭ такой радиационный фон представляет очень серьезную опасность для человека.

При интенсивности рентгеновского излучения 4,3 Ватт/м 2 сутки дозы радиации за сутки имеет значение 50-75 рад и вызывает радиационные заболевания.

Космонавт Михаил Тюрин в скафандре Орлан-М. Скафандр использовался на станции МИР и МКС с 1997 по 2009. Вес 112 кг. В настоящее время на МКС используется Орлан-МК (модернизированный, компьютеризированный). Вес 120 кг.

Самый простой выход – это снижение времени пребывания космонавта под прямыми лучами Солнца до 1 часа. Поглощенная доза радиации в скафандре Орлан-М уменьшится до 0,5 рад. Другой подход – работа в тени космической станции, в этом случае длительность внекорабельной деятельности можно значительно увеличить, несмотря на высокое внешнее рентгеновское излучение. В случае пребывания на поверхности Луны далеко за пределами лунной базы быстрое возвращение и укрытие не всегда возможно. Можно воспользоваться тенью лунного ландшафта или зонтиком от ренгеновских лучей…

Простым эффективным способом защиты от рентгеновского излучения Солнца является использование листового алюминия в скафандре. При 0,9 мм Al (толщина 0,25 г/см 2 в алюминиевом эквиваленте) скафандр имеет 67-кратный запас от среднего рентгеновского фона. При 10 кратном увеличении фона до 0,86 Ватт/м 2 сутки доза радиации равна 0,15 рад/сути. Даже при внезапном 50-кратном увеличении рентгеновского потока от среднего фона до значения 4,3 Ватт/м 2 сутки поглощенная доза радиации за сутки не превысит 0,75 рад.

При 0,7 мм Al (толщина 0,20 г/см 2 в алюминиевом эквиваленте) защита сохраняет 35-кратный радиационный запас. При 0,86 Ватт/м 2 сутки доза радиации составит не более 0,38 рад/сути. При 4,3 Ватт/м 2 сутки поглощенная доза радиации не превысит 1,89 рад.

Как показывают расчеты, для обеспечения радиационной защиты, как 0,25 г/см 2 в алюминиевом эквиваленте, требуется тканеэквивалент в 1,4 г/см 2 . При таком значении массовой защиты скафандра возрастет его толщина в несколько раз и понижает его юзабилити.

ИТОГИ И ВЫВОДЫ

В случае протонного излучения тканеэквивалентная защита имеет преимущество перед алюминием на 20-30%.

При рентгеновском излучении предпочтение имеет защита скафандра в алюминиевом эквиваленте, чем из полимеров. Данный вывод совпадает с результатами исследований Дэвида Смита (David Smith) и Джона Скало.

Лунные скафандры должны иметь два параметра защиты:

1) параметр защиты скафандра тканеэквивалентного вещества от протонного излучения, не ниже 0,21 г/см 2 ;
2) параметр защиты скафандра в алюминиевом эквиваленте от рентгеновского излучения, не ниже 0,20 г/см 2 .

При использовании во внешней оболочке скафандра с площадью 2,5-3 м 2 защиты Al масса скафандра на базе Орлан-МК увеличится на 5-6 кг.

Для лунного скафандра суммарная поглощенная доза радиации от солнечного ветра и рентгеновских лучей Солнца в год максимума солнечной активности составит 0,19 рад/сут (эквивалентная доза радиации – 8,22 мЗв/сут). Такой скафандр имеет 4-кратный запас радиационной прочности для солнечного ветра и 35-кратный запас радиационной прочности для рентгеновского излучения. Никакие дополнительные меры защиты, как радиационные алюминиевые зонтики, не нужны.

Для скафандра Орлан-М, соответственно, 1,45 рад/сут (эквивалентная доза радиации – 20,77 мЗв/сут). Скафандр имеет 4-кратный запас радиационной прочности для солнечного ветра.

Для скафандра A7L (A7LB) миссии Аполлон, соответственно, 1,70 рад/сут (эквивалентная доза радиации – 23,82 мЗв/сут). Скафандр имеет 3-кратный запас радиационной прочности для солнечного ветра.

При непрерывном пребывание в течении 4 суток на поверхности Луны в современных скафандрах Орлан или типа A7L человек набирает дозу радиации 0,06-0,07 Гр, что представляет опасность для его здоровья. Это соответствует выводам Дэвида Смита и Джона Скало, что в окололунном космическом пространстве в современном скафандре за 100 часов с вероятностью 10% человек получит опасную для здоровья и жизни дозу радиации выше 0,1 Грэй. Для скафандров Орлан или типа A7L необходимы дополнительные меры защиты от рентгеновского излучения, как радиационные алюминиевые зонтики.

Предлагаемый лунный скафандр на базе Орлан за 4 суток набирает дозу радиации 0,76 рад или 0,0076 Гр. (Один час пребывания на поверхности луны в скафандре под солнечным ветром соответствует двум процедурам рентгенографии грудной клетки). Согласно МАГАТЭ радиационный риск признан нормальным условием для человека.

NASA проводит испытания нового скафандра для готовящегося в 2020 году полета человека на Луну.

Кроме радиационного риска от солнечного ветра и рентгеновского излучения Солнца идет поток . Об этом далее.

Одним из основных негативных биологических факторов космического пространства, наряду с невесомостью, является радиация. Но если ситуация с невесомостью на различных телах Солнечной системы (например, на Луне или Марсе) будет лучше, чем на МКС, то с радиацией дела обстоят сложнее.

По своему происхождению космическое излучение бывает двух типов. Оно состоит из галактических космических лучей (ГКЛ) и тяжелых положительно заряженных протонов, исходящих от Солнца. Эти два типа излучения взаимодействуют друг с другом. В период солнечной активности интенсивность галактических лучей уменьшается, и наоборот. Наша планета защищена от солнечного ветра магнитным полем. Несмотря на это, часть заряженных частиц достигает атмосферы. В результате возникает явление, известное как полярное сияние. Высокоэнергетические ГКЛ почти не задерживаются магнитосферой, однако они не достигают поверхности Земли в опасном количестве благодаря ее плотной атмосфере. Орбита МКС находится выше плотных слоев атмосферы, однако внутри радиационных поясов Земли. Из-за этого уровень космического облучения на станции намного выше, чем на Земле, но существенно ниже, чем в открытом космосе. По своим защитным свойствам атмосфера Земли приблизительно эквивалентна 80-сантиметровому слою свинца.

Единственным достоверным источником данных о дозе излучения, которую можно получить во время длительного космического перелета и на поверхности Марса, является прибор RAD на исследовательской станции Mars Science Laboratory, более известной как Curiosity. Чтобы понять, насколько точны собранные им данные, давайте для начала рассмотрим МКС.

В сентябре 2013 года в журнале Science была опубликована статья, посвященная результатам работы инструмента RAD. На сравнительном графике, построенном Лабораторией реактивного движения НАСА (организация не связана с экспериментами, проводимыми на МКС, но работает с инструментом RAD марсохода Curiosity), указано, что за полгода пребывания на околоземной космической станции человек получает дозу излучения, примерно равную 80 мЗв (миллизиверт). А вот в издании Оксфордского университета от 2006 года (ISBN 978-0-19-513725-5) говорится, что в сутки космонавт на МКС получает в среднем 1 мЗв, т. е. полугодовая доза должна составить 180 мЗв. В результате мы видим огромный разброс в оценке уровня облучения на давно изученной низкой орбите Земли.

Основные солнечные циклы имеют период 11 лет, и, поскольку ГКЛ и солнечный ветер взаимосвязаны, для статистически надежных наблюдений нужно изучить данные о радиации на разных участках солнечного цикла. К сожалению, как говорилось выше, все имеющиеся у нас данные о радиации в открытом космосе были собраны за первые восемь месяцев 2012 года аппаратом MSL на его пути к Марсу. Информация о радиации на поверхности планеты накоплена им же за последующие годы. Это не значит, что данные неверны. Просто нужно понимать, что они могут отражать лишь характеристики ограниченного периода времени.

Последние данные инструмента RAD были опубликованы в 2014 году. Как сообщают ученые из Лаборатории реактивного движения НАСА, за полгода пребывания на поверхности Марса человек получит среднюю дозу излучения около 120 мЗв. Эта цифра находится посередине между нижней и верхней оценками дозы облучения на МКС. За время перелета к Марсу, если он также займет полгода, доза облучения составит 350 мЗв, т. е. в 2-4,5 раза больше, чем на МКС. За время полета MSL пережил пять вспышек на Солнце умеренной мощности. Мы не знаем наверняка, какую дозу облучения получат космонавты на Луне, поскольку во времена программы «Аполлон» не проводились эксперименты, изучавшие отдельно космическую радиацию. Ее эффекты изучались лишь совместно с эффектами других негативных явлений, таких как влияние лунной пыли. Тем не менее, можно предположить, что доза будет выше, чем на Марсе, поскольку Луна не защищена даже слабой атмосферой, но ниже, чем в открытом космосе, т. к. человек на Луне будет облучаться только «сверху» и «с боков», но не из-под ног./

В заключение можно отметить, что радиация – это та проблема, которая обязательно потребует решения в случае колонизации Солнечной системы. Однако широко распространенное мнение, что радиационная обстановка за пределами магнитосферы Земли не позволяет совершать длительные космические полеты, просто не соответствует действительности. Для полета к Марсу придется установить защитное покрытие либо на весь жилой модуль космического перелетного комплекса, либо на отдельный особо защищенный «штормовой» отсек, в котором космонавты смогут пережидать протонные ливни. Это не значит, что разработчикам придется использовать сложные антирадиационные системы. Для существенного снижения уровня облучения достаточно теплоизоляционного покрытия, которое применяют на спускаемых аппаратах космических кораблей для защиты от перегрева при торможении в атмосфере Земли.

Тогда эта серия статей для Вас… Мы расскажем о природных источниках ионизирующего облучения, использовании радиации в медицине и других интересных вещах.

Источники ионизирующего излучения условно разделяют на две группы — природные и искусственные. Природные источники существовали всегда, а искусственные — человеческая цивилизация создала в 19 веке. Это легко объяснить на примере двух крупных ученых, которые связаны с открытием радиации. Антуан Анри Беккерель открыл ионизирующее излучение урана (природный источник), а Вильгельм Конрад Рентген открыл ионизирующее излучение при торможении электронов, которые ускорялись в специально созданном приборе (рентгеновская трубка как искусственный источник). Проанализируем в процентном и цифровом эквиваленте, какие дозы облучения (количественная характеристика воздействия ионизирующего излучения на организм человека) рядовой гражданин Украины получает в течение года от различных искусственных и природных источников (рис.1).

Рис. 1. Структура и средневзвешенные величины эффективной дозы облучения населения Украины в год

Как видим, основную часть облучения мы получаем от природных источников радиации. Но остались ли эти природные источники такими же, какими были на ранних этапах цивилизации? Если так — можно не беспокоиться, ведь мы давно приспособились к такому облучению. Но, к сожалению, это не так. Деятельность человека приводит к тому, что природные радиоактивные источники концентрируют и увеличивают возможность их влияния на человека.

Одним из таких мест, где увеличивается возможность влияния радиации на человека, является космическое пространство. Интенсивность радиационного облучения зависит от высоты над уровнем моря. Таким образом, космонавты, пилоты и пассажиры воздушного транспорта, а также население, проживающее в горах, получают дополнительную дозу облучения. Попробуем узнать, насколько это опасно для человека, и какие «радиационные» секреты скрывает космос.

Радиация в космосе: какая опасность для космонавтов?

Все началось с того, что американский физик и астрофизик Джеймс Альфред Ван Аллен решил закрепить на первом спутнике, который был запущен на орбиту, счетчик Гейгера-Мюллера. Показатели этого прибора официально подтвердили существование вокруг земного шара пояса интенсивной радиации. Но откуда она появилась в космосе? Известно, что радиоактивность в космосе существует очень давно, даже еще до возникновения Земли, таким образом, космическое пространство постоянно наполнялось и наполняется радиацией. После проведенных исследований ученые пришли к выводу, что радиация в космосе возникает или от солнца, во время вспышек, или от космических лучей, которые возникают в результате высокоэнергетических событий в нашей и других галактиках.

Было установлено, что радиационные пояса начинаются с 800 км над поверхностью Земли и простираются до отметки 24000 км. По классификации Международной федерации аэронавтики полет считается космическим, если его высота превышает 100 км. Соответственно, наиболее уязвимыми в плане получения большой дозы космического облучения являются космонавты. Чем выше они поднимаются в открытый космос, тем ближе они к радиационным поясам, следовательно, тем больше риск получения значительного количества радиации.
Научный руководитель программы Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства США (НАСА) по исследованию влияния радиации на человека, Фрэнсис Кучинотта как-то заметил, что наиболее неприятным последствием от космического облучения при длительных полетах космонавтов является развитие катаракты, то есть помутнение хрусталика глаза. Более того, существует опасность заболевания раком. Но Кучинотта также отметил, что после полета не наблюдается каких-то чрезвычайно страшных последствий у космонавтов. Он лишь подчеркнул, что многое еще неизвестно о том, как влияет космическая радиация на космонавтов и какие реальные последствия этого воздействия.

Вопрос защиты космонавтов от радиации в космосе всегда было в числе приоритетных. Еще в 60 — х годах прошлого века ученые разводили руками и не знали, как защитить космонавтов от космической радиации, особенно при необходимости выхода в открытый космос. В 1966 году советский космонавт все-таки решился выйти в открытый космос, но в очень тяжелом свинцовом костюме. Впоследствии технический прогресс сдвинул решения проблемы с мертвой точки, и были созданы более легкие и безопасные костюмы.

Освоение космических пространств всегда влекло ученых, исследователей и космонавтов. Секреты новых планет могут пригодиться для дальнейшего развития человечества на планете Земля, но также могут быть и опасными. Именно поэтому полет Curiosity на Марс имел большое значение. Но не будем отходить от основного фокуса статьи и сосредоточимся на результатах радиационного облучения, зафиксированного соответствующим прибором на борту марсохода. Этот прибор находился внутри космического корабля, поэтому его показатели свидетельствуют о реальной дозе, которую может получить космонавт уже в пилотируемом корабле. Ученые, которые обрабатывали результаты измерений, сообщили неутешительные данные: эквивалентная доза облучения была в 4 раза больше, от той, что предельно допустимая для работников атомных станций. В Украине предел дозы облучения для тех, кто постоянно или временно работает непосредственно с источниками ионизирующих излучений 20 мЗв.

Для изучения самых отдаленных уголков космоса нужно проводить миссии, которые не могут технически осуществляться с использованием традиционных источников энергии. Этот вопрос был решен путем использования ядерных источников энергии, а именно — изотопных батарей и реакторов. Эти источники являются уникальными в своем роде, поскольку имеют высокий энергетический потенциал, что значительно расширяет возможности миссий в космическом пространстве. Например, стали возможными полеты зондов к внешним границам Солнечной системы. Поскольку продолжительность таких полетов достаточно велика, панели солнечных батарей не пригодны в качестве источника энергопитания для космических аппаратов.

Обратной стороной медали являются потенциальные риски, связанные с использованием радиоактивных источников в космосе. В основном — это опасность непредвиденных или аварийных обстоятельствах. Именно поэтому государства, запускающие космические объекты с ядерными источниками энергии на борту, прилагают максимальные усилия для защиты отдельных лиц, населения и биосферы от радиологических опасностей. Такие условия были определены в принципах, касающихся использования ядерных источников энергии в космическом пространстве, и были приняты в 1992 году резолюцией Генеральной Ассамблеи Организации Объединенных Наций (ООН). В этих же принципах также определено, что любое государство, которое запускает космический объект с ядерными источниками энергии на борту, должно своевременно информировать заинтересованные страны, если на космическом объекте появляется неисправность и возникает опасность возвращения радиоактивных материалов на Землю.

Также Организация Объединенных Наций совместно с Международным агентством по атомной энергии (МАГАТЭ) разработали рамки обеспечения безопасного использования ядерных источников энергии в космическом пространстве. Они призваны дополнить нормы МАГАТЭ по безопасности руководством высокого уровня, учитывающим дополнительные меры обеспечения безопасности при использовании ядерных источников энергии на космических объектах в течение всех этапов миссий: запуска, эксплуатации и вывода из эксплуатации.

Нужно ли бояться радиации при использовании воздушного транспорта?

Космические лучи, несущие радиацию, попадают практически во все уголки нашей планеты, однако распространения радиации проходит не пропорционально. Магнитное поле Земли отклоняет значительное количество заряженных частиц от экваториальной зоны, тем самым сосредоточивает больше радиации на Северном и Южном полюсах. Более того, как уже отмечалось, космическое облучение зависит от высоты. Те, кто проживают на уровне моря, получают от космической радиации в год примерно 0,003 мЗв, а те, кто проживают на уровне 2 км, могут получить в два раза больше радиации.

Как известно, при крейсерской скорости для пассажирских авиалайнеров в 900 км/ч, с учетом соотношения сопротивления воздуха и подъемной силы, оптимальная высота при перелете для самолета обычно составляет примерно 9-10 км. Так что при подъеме авиалайнера до такой высоты уровень облучения может вырасти практически в 25 раз от того, каким он был на отметке в 2 км.

Пассажиры, совершающие трансатлантические полеты подвергаются наибольшему облучению за один рейс. При перелете из США в Европу человек может получить дополнительных 0,05 мЗв. Дело в том, что земная атмосфера имеет соответствующую экранирующую защиту от космического облучения, но при поднятии авиалайнера на вышеуказанную оптимальную высоту эта защита частично исчезает, что приводит к получению дополнительного облучения. Именно поэтому частые перелеты через океан повышают риск получения организмом повышенной дозы радиации. Например, 4 подобных перелета может стоить человеку получения дозы в 0,4 мЗв.

Если говорить о пилотах, то здесь ситуация складывается несколько по-другому. Поскольку они достаточно часто совершают перелеты через Атлантику, доза облучения пилотов авиалайнеров может превышать 5 мЗв в год. По меркам Украины при получении такой дозы лица уже приравниваются к другой категории — людей, которые непосредственно не заняты работой с источниками ионизирующего излучения, но в связи с расположением рабочих мест в помещениях и на промышленных площадках объектов с радиационно-ядерными технологиями могут получать дополнительное облучение. Для таких лиц установлен лимит дозы облучения 2 мЗв в год.

Международное агентство по атомной энергии проявляет значительный интерес к этому вопросу. МАГАТЭ разработало ряд норм по безопасности, и проблема облучения экипажей воздушных судов также нашла свое отражение в одном из таких документов. Согласно рекомендациям Агентства, ответственным за установление референтного уровня дозы облучения экипажей воздушных судов является национальный регулирующий орган или другой соответствующий и компетентный орган. В случае превышения этой дозы, работодатели экипажа воздушного судна должны провести соответствующие мероприятия по оценке доз и их регистрацию. Более того, они должны проинформировать женщин — членов экипажей воздушных судов — о связанном с воздействием космического излучения риске для эмбриона или плода и о необходимости раннего оповещения о беременности.

Можно ли рассматривать космос как место для захоронения радиоактивных отходов?

Мы уже убедились, что космическое облучение, хотя и не несет катастрофических последствий для человечества, но повысить уровень облучения человека может. Оценивая влияние космических лучей на человека, многие ученые также изучают возможность использования космического пространства для нужд человечества. В контексте этой статьи очень неоднозначно и интересно выглядит идея захоронения радиоактивных отходов в космосе.

Дело в том, что ученые стран, где активно используют атомную энергетику, находятся в постоянном поиске мест безопасной локализации радиоактивных отходов, которые постоянно накапливаются. Космическое пространство тоже рассматривалось некоторыми учеными как одно из потенциальных мест размещения опасных отходов. Например, специалисты Государственного конструкторского бюро «Южное», которое расположено в Днепропетровске, совместно с Международной академией астронавтики изучают технические составляющие реализации идеи захоронения отходов в далеком космосе.

С одной стороны, отправка подобных отходов в космос очень удобна, так как может осуществляться в любое время и в неограниченном количестве, что снимает вопрос о будущем этих отходов в нашей экосистеме. Более того, как отмечают специалисты, такие полеты не требуют большой точности. Но с другой стороны, данный метод имеет и слабые стороны. Основной проблемой является обеспечение безопасности для биосферы Земли на всех этапах запуска ракетоносителя. Вероятность аварии при запуске достаточно высока, и оценивается практически в 2-3 %. Пожар или взрыв ракетоносителя на старте, в полете или его падение может стать причиной значительного рассеивания опасных радиоактивных отходов. Именно поэтому, при изучении этого метода основное внимание должно быть приковано именно к вопросу безопасности при любых аварийных ситуациях.

Ольга Макаровская, заместитель Председателя Госатомрегулирования Украины; Дмитрий Чумак, ведущий инженер сектора информационного обеспечения Информационно-технического отдела ГНТЦ ЯРБ, 10/03/2014