«Техника-молодежи» 2007 г №6, с.6-8
| Невидимый враг космических путешественников Станислав СЛАВИН |
Этот враг действительно невидим и неощутим. Тем не менее он куда опаснее выдуманных фантастами космических катастроф, невиданных страшилищ и загадочных болезней. Всего за год, проведённый человеком в межпланетном пространстве, космическое излучение способно уничтожить треть его ДНК. Как защитить космонавтов?  |
Беляев знал, о чём писал. Ведь еще в 1912 г. австрийский физик Виктор Гесс, поднимаясь на воздушном шаре, заметил, что чем выше он взлетал, тем быстрее разряжался электроскоп. Причиной ионизации воздуха, делавшей его проводником электричества, было нечто таинственное, приходящее из космоса.
Позднее это излучение назвали космическим. А к середине XX столетия физики поняли, что космические лучи состоят главным образом из протонов с примесью более тяжёлых ядер, бомбардирующих верхние слои атмосферы. Большая их часть приходит из-за пределов Солнечной системы, и что разгоняет их почти до скорости света, до сих пор остается загадкой.
«Вопреки распространённому мнению, от атак космических лучей нас защищает не магнитное поле Земли*, а толстый слой атмосферы, где на каждый квадратный сантиметр поверхности приходится килограмм воздуха. Влетев в атмосферу Земли, космический протон в среднем преодолевает всего лишь 1/14 её высоты и на высоте 20 — 25 км соударяется с ядром атома воздуха. Остальная часть атмосферы поглощает осколки этого столкновения».
Так пишет об этом феномене профессор физики Чикагского университета, член Национальной академии наук Юджин Паркер. Он — известный специалист по межпланетному газу, магнитным полям и космическому излучению.
Что же происходит, когда космические лучи попадают в атмосферу? Ударяя по ядру молекулы, например азота или кислорода, ион выбивает из него протон, нейтрон, а то и сразу обе частицы, вызывая заодно ливень γ-лучей высокой энергии. Каждый γ-квант завершает свой путь рождением электрона и его античастицы — позитрона. Аннигилируя, эти частицы рождают новые γ-кванты, но уже более низкой энергии. И так продолжается до тех пор, пока γ-лучи не станут слишком слабыми для рождения новых частиц. Попутно при этом рождаются также π-мезоны или пионы, которые быстро распадаются на μ-мезоны, мюоны, проходящие сквозь атмосферу до самой земли.
*Но и оно — тоже. Ред.
| ◄ Так 44 года назад на страницах нашего журнала изобразил электромагнитную защиту от космических лучей К. Арцеулов. Показать реальную конструкцию такой защиты мы всё ещё не можем... Увы... |
Таким образом, мы постоянно находимся под обстрелом космических лучей, даже не покидая поверхность нашей планеты. Однако в этом случае ежегодная доза облучения составляет около 0,03 бэр, что эквивалентно облучению от двух рентгеновских снимков и вполне безопасно.
Однако стоит человеку оказаться за пределами атмосферы Земли, как сквозь его тело за секунду может пронестись около 5000 частиц, способных разрушить химические связи в организме. Космонавты даже отмечают некие вспышки в глазах. Это случается в тот момент, когда пролетающий ион цепляет чувствительный элемент глазной сетчатки.
МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ. Впрочем, неделя или даже месяц такого облучения не дают серьезных последствий, но несколько лет путешествия к Марсу — это уже другое дело. По оценке NASA каждый год космические лучи будут уничтожать в теле космонавта порядка 30% ДНК, и к чему всё это может привести, пока остается только гадать.
Скорее всего, ничего хорошего ждать не приходится. Так, во всяком случае, полагают доктор Уоллес Фридберг и его коллеги из Института авиакосмической медицины Федерального управления гражданской авиации в Оклахома-Сити. В их отчёте говорится, что при полёте к Марсу космонавты получат дозу не менее 80 бэр/г. Между тем, предельно допустимая доза для работников атомных электростанций в США составляет 5 бэр/г.
«В итоге естественные биологические механизмы восстановления организма человека могут не справиться с нагрузкой, и от рака погибнет каждый десятый отправившийся в космос мужчина и каждая шестая женщина, — предупреждают медики. — Кроме того, тяжелые ядра могут стать причиной катаракты глаза и повреждений мозга»...
Причём поток космических лучей — не единственный источник радиации. На Солнце тоже могут происходить гигантские выбросы протонов и более тяжёлых ядер, движущихся почти со скоростью света. Иногда такие выбросы всего в течение часа добавляют до 200 бэр радиации — смертельную дозу для незащищенного космонавта.
Об этой опасности хорошо осведомлены и наши специалисты. Так, по словам ведущего научного сотрудника Института медико-биологических проблем Кирилла Труханова, ещё в середине прошлого века в СССР были начаты разработки методов и средств живых организмов от губительного излучения. Все их, по существу, можно свести к двум главным направлениям — пассивной и активной защите.
УДАСТСЯ ЛИ ЭКРАНИРОВАТЬСЯ? Поначалу космонавтов с астронавтами хотели попросту экранировать от вредного излучения. Такая защита хорошо зарекомендовала себя на ядерных реакторах, да и в природе, как уже говорилось, роль защитного экрана выполняет атмосфера Земли.
Однако уже первые прикидки показали, что тут всё далеко не просто. Использовать защитные экраны из свинца нельзя по двум причинам. Во-первых, они очень тяжелы. Во-вторых, в толще такого экрана возникает вторичное излучение, от которого тоже надо защищаться.
Тогда было решено использовать в космических аппаратах или на орбитальных станциях менее массивные экраны — газовые или жидкостные. Ход рассуждений был при этом примерно таким.
Если на каждый квадратный сантиметр земной поверхности оказывает давление килограмм воздуха, то в космосе можно использовать тот же килограмм, только защитного вещества, на каждый квадратный сантиметр поверхности аппарата. Как показывают расчёты, для поглощения вторичных частиц, хватит даже половины массы, что эквивалентно слою воздуха толщиной в 5,5 км. Согласитесь, конструкция таких размеров вряд ли пригодна практически.
Если же вместо газа использовать воду, которая в любом случае необходима космонавтам, то потребуется слой толщиной в 5 м. При этом масса сферического водного резервуара, окружающего капсулу с людьми, составит около 500 т (для сравнения: максимальная грузоподъёмность шаттла — около 30 т). Стало быть, и этот вариант трудно реализуем практически.
Впрочем, в ходе исследований выяснилось, что в воде главную защитную функцию несут атомы водорода. Но ведь водород имеется не только в составе Н2O! Поэтому ныне для устройства защитных экранов предложено использовать, например, полиэтилен — твердое вещество, для хранения которого не нужны резервуары. Но даже в этом случае необходима масса не менее 400 т.
ИЗ ОГНЯ ДА В ПОЛЫМЯ? Таким образом, в настоящее время более перспективным кажется второй способ — активная защита. Суть её состоит в идее отклонять космические лучи магнитным полем. Ведь согласно законам физики, на заряженную частицу, движущуюся поперек магнитного поля, действует сила, направленная перпендикулярно направлению движения. Таким образом, в принципе, летящую частицу можно отклонить в сторону от корабля. Но...
Каждый протон космических лучей обладает огромной кинетической энергией — порядка 2 ГэВ. Чтобы остановить лучи на дистанции в несколько метров, потребуется магнитное поле соответствующей мощности, что потребует использования сверхпроводящих систем и заметно усложнит конструкцию.
Кроме того, тут можно попасть из огня да прямо в полымя. Ведь людям придется жить в магнитном поле с индукцией 20 Тл, и никто не знает, какие это вызовет биологические последствия. Так что, вероятно, инженерам придётся нейтрализовать внешнее силовое поле в пределах жилых помещений, используя компенсирующие электромагниты. Что ещё усложнит и удорожит систему...
ВЫШИБЕМ КЛИН КЛИНОМ? Можно, конечно, сообщить положительный заряд самому космолёту. Если напряжение внешней обшивки относительно окружающего пространства составит 2 ГВ (2 х 109 В!), то корабль, в принципе, сможет отразить все протоны космических лучей. Однако авторы этой идеи, похоже, забыли, что вокруг корабля нет чистого вакуума. В районе Земли солнечный ветер заполняет пространство примерно пятью ионами и пятью электронами на 1 см3. Электроны, имеющие отрицательный заряд, будут притягиваться к положительно заряженному кораблю. Причем, как показывают расчеты, они станут врезаться в обшивку с энергией 2 ГэВ, то есть вести себя примерно так же, как космические лучи...
Как говорится, час от часу не легче.
Кроме того, пока непонятно, как можно зарядить космолёт до напряжения 2 ГВ. Для этого потребуется порядка 2 ГВт. Эта величина сопоставима с мощностью приличной электростанции. Да и биологическое воздействие сильных электростатических полей толком не изучено.
ВАКЦИНА ОТ РАДИАЦИИ? Таким образом, с сожалением приходится констатировать: все предложенные ныне конструкционные меры по защите космонавтов от космических лучей не безупречны.
Тогда исследователи попытались подойти к решению проблемы с иной стороны. Естественные процессы восстановления человеческого организма на клеточном уровне могли бы помочь нейтрализовать полученную дозу облучения.
И первые шаги в этом направлении уже сделаны. Учёные из Северной Осетии недавно создали вакцину, блокирующую воздействие радиации на живые организмы. Об этом в беседе с журналистами сообщил профессор Владикавказского научного центра РАН Вячеслав Малиев.
По его словам, «исследователям отдела биотехнологий научного центра удалось выделить и изолировать из лимфы животных вещество, разрушающее организм под воздействием радиации — радиотоксин». На основе этого и была создана вакцина.
В настоящее время осетинские учёные совместно с национальным аэрокосмическим агентством США проводят очередную серию противорадиационных экспериментов. Экспериментально сравнивают вакцину российских радиобиологов с наработками исследователей из США.
«Мы одинаково облучили подопытных животных. Затем половину вакцинировали российским препаратом, а другую — американским, — рассказал Малиев. — Доза облучения предполагала максимальный период выживаемости 7 дней. Животные, вакцинированные американским средством, погибли на четвёртый день, остальные выжили. За ними мы потом наблюдали ещё 2 месяца, и в их организмах не было обнаружено никаких отклонений».
Если бы ликвидаторы аварии в Чернобыле были вакцинированы этим препаратом, то, возможно, вообще никто бы не погиб после взрыва реактора, уверен Вячеслав Малиев.
Разработчики считают, что применение вакцины позволит отказаться от противорадиационных отсеков на космических кораблях и станциях, что сэкономит сотни тонн массы будущих межпланетных кораблей. Кроме того, новый препарат может быть использован в онкологии, где он снизит негативные последствия облучения организма для лечения раковых заболеваний.