Как защитить космонавтов от космического излучения
В июле 2015 года на пресс-конференции НАСА было объявлено об историческом открытии. Запущенный в 2008 году космический телескоп «Кеплер» открыл первую экзопланету (то есть находящуюся вне Солнечной системы), причем в зоне обитания (то есть на подходящем для возникновения жизни расстоянии от своей звезды), да еще очень похожую на нашу Землю. Планета получила название Кеплер 452 (в честь звезды, вокруг которой она вращается), ее диаметр всего лишь на 60 процентов больше земного.
Отрадно, конечно, что, наконец, была найдена планета, где возможно существование жизни. Но радости –то не очень много. Уж очень она далеко – на расстоянии 1400 световых лет от нас. То есть долететь до нее просто нереально, а если там и существуют братья по разуму, то любая весточка от них к нам, и к ним от нас будет идти полторы тысячи лет.
Альтернативы освоения планет Солнечной системы по-прежнему нет, а возможно и не будет. А самая подходящая для этой благородной затеи планета – Марс. Проекты пилотируемых полетов к нему уже давно существуют, но реализовать их пока невозможно, что бы ни говорили на эту тему энтузиасты «one way ticket», то есть полета в один конец.
Главное препятствие – губительное для живых существ космическое излучение; которое «свирепствует» за пределами магнитного поля Земли.
Первым космические лучи обнаружил в 1912 г. австрийский физик Виктор Гесс. Поднимаясь на воздушном шаре, он установил, что чем выше летит шар, тем быстрее разряжается электроскоп. Причиной ионизации воздуха, делавшей его проводником электричества, было некое излучение, приходящее из космоса.
Космическое излучение состоит на 90% из протонов (т.е. ионов водорода), на 7% из ядер гелия (альфа-частиц), небольшого количества более тяжелых атомов и электронов. Звезды, включая Солнце, ядра галактик, Млечный путь — светят не только видимым светом, но и рентгеновским и гамма излучением".
Пилотируемый полет к Марсу планировал еще Сергей Королев. Для минимизации вредоносного действия космических лучей было решено использовать ядерную силовую установку, чтобы сократить длительность полета.
Ядерный космический двигатель РД-0410 был создан и испытан. Испытания, всего их было 250, проводились в 1978-1981 годах и завершилась полным успехом. По своим характеристикам наш двигатель превосходил американский ядерный двигатель NERVA, работы по которому были прекращены.
Ядерный двигатель имеет более высокий импульс и скорость истечения рабочего вещества и позволяет сократить время полета к Марсу до 70 суток в одну сторону. Современные космонавты проводят на космических орбитальных станциях чуть ли не целый год, но они защищены магнитным полем Земли. И тем не менее их здоровью наносится серьезный урон. Сильно возрастает риск онкологических заболеваний. Этого уже никто не скрывает.
А при путешествии в дальнем космические лучи будут уничтожать по оценке НАСА 30 процентов ДНК ежегодно. За четыре месяца полета к Марсу и обратно будет уничтожено 10 процентов человеческой ДНК.
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».
Тем не менее пилотируемые полеты к Марсу начнутся в течение ближайших двух десятков лет, а возможно и раньше. И судя по всему, стопроцентной защиты от космических лучей экипажам будущих планетолетов обеспечено не будет.
А возможно ли это вообще? Я попробовал прикинуть, как можно такую защиту создать, и вот что получилось.
Вспомнив, что лучшей защитой от радиации при атомном взрыве является танковая броня (если верить армейским агитплакатам), я сделал небольшой расчет. Земная атмосфера практически полностью нейтрализует действие космического излучения. Если сжать ее до плотности стали, то атмосферный слой будет высотой всего один метр. Значит всего лишь метровая стальная броня могла бы защитить экипажы планетолетов?
Лобовая броня сверхтяжелого германского танка «Маус» была 22 см, бортовой пояс японского суперлинкора «Ямато» - 41 см. То есть прецедентов создания метровой броневой защиты в мире пока что не было. И не будет. Потому что, едва завершив свои расчеты, я обнаружил в них ошибку. Ни в коем случае нельзя защищать космонавтов стальной броней. При ударе космических частиц в металл возникает вторичное излучение, которое еще опасней первичного. А что же делать, и главное – из чего?
Ответ нашелся. Лучше всего защищает от космических лучей вода. Достаточно пятиметрового слоя воды, чтобы полностью защитить экипаж планетолета. Поскольку основную роль в нейтрализации излучения играет входящий в состав воды водород, то проще и технологичней применять не воду, а полиэтилен.
На данный момент я не нашел ни в одном из проектов полета к Марсу упоминания о конструировании полиэтиленовой или водной защиты космонавтов от космического излучения. Возможно из-за того, что общий вес капсулы с экипажем, защищенной полиэтиленом или водой составит не менее 400 тонн. Может быть, планируется создать электромагнитную защиту? Такое тоже возможно.
Еще в 1963 году знаменитый летчик Константин Арцеулов на страницах журнала «Техника-молодежи» предложил защитить экипажи космолетов с помощью сверхпроводящих соленоидов – намотанных на корпус ракеты катушек индуктивности.
Сегодня таких проектов довольно много.
Сверхпроводящая электромагнитная защита требуется из-за того, что космические лучи обладают очень высокой кинетической энергией – около 2 гигаэлектронвольт. Применение сверхпроводников позволит создать электромагнитное защитное поле с индукцией в 20 Тесла, что остановит космические лучи, но создаст проблемы для людей, которым придется в этом поле жить многие месяцы. Значит, придется защитить жилой отсек компенсирующими электромагнитами, что еще больше усложнит и утяжелит конструкцию корабля. Для создания столь мощных магнитных полей потребуется мощность порядка двух гигаватт, это сравнимо с мощностью приличной электростанции. Видимо, авторы проектов пилотируемых полетов в дальний космос пока что не решили вопрос с выводом на орбиту источника такой энергии.
Есть, правда, один проект (патент RU 2406661), автор которого, Алексей Ребеко, предлагает защитить корабль с помощью электроконденсатора:
«Вокруг космического аппарата создают защитное статическое электрическое или магнитное поле, которое локализуют в пространстве между двумя вложенными друг в друга замкнутыми несоприкасающимися поверхностями. Защищаемое пространство космического аппарата ограничено внутренней поверхностью, а внешняя поверхность изолирует аппарат и защищаемое пространство от межпланетной плазмы. Форма поверхностей может быть произвольной. При использовании электрического защитного поля на указанных поверхностях создают заряды одной величины и противоположного знака. В таком конденсаторе электрическое поле сосредоточено в пространстве между поверхностями-обкладками. В случае магнитного поля по поверхностям пропускают токи противоположного направления, а соотношение силы токов подбирают так, чтобы минимизировать значение остаточного поля снаружи. Желательная форма поверхностей в этом случае - тороидальная, для обеспечения сплошной защиты. Под действием силы Лоренца заряженные частицы будут двигаться по отклоняющим криволинейным траекториям или замкнутым орбитам между поверхностями. Возможно одновременное применение электрического и магнитного поля между поверхностями. При этом в пространство между поверхностями может быть помещен подходящий материал для поглощения заряженных частиц: например жидкий водород, вода или полиэтилен».
Будет ли востребовано это изобретение, пока не ясно. Ведь вес защитной конструкции будет опять же немалым, мощные ядерные двигатели устанавливать на межпланетные корабли по каким-то причинам не планируется (хотя все равно придется!).
Видимо, будущие покорители Марса полетят к оранжевой планете, рискуя своим здоровьем, но это вряд ли остановит энтузиастов освоения космоса.