Захистимо астронавтів, а не космічний корабель.
Сонячні бурі, подібні до тієї, що сталася в серпні 1972 року між місіями “Аполлон-16” та “Аполлон-17”, викидають потоки протонів, інтенсивність яких достатня, щоб підвищити ризик раку в астронавта або навіть спричинити променеву хворобу. Атмосфера та магнітне поле Землі поглинають це випромінювання, але екіпажі, що прямують до Місяця чи Марса, не матимуть такого захисту, і жоден космічний корабель, збудований досі, не має достатнього екранування, щоб зупинити його.
Команда під керівництвом Джордана Хурі та Орена Мілштейна зі StemRad, ізраїльсько-американського стартапу, що розробляє персональний захисний одяг від радіації, запропонувала вирішити цю проблему, екрануючи астронавтів, а не космічний корабель.
Щоб перевірити цю ідею, команда StemRad доставила на Місяць і назад портативний жилет для захисту від радіації під назвою AstroRad на борту безпілотної місії NASA Artemis I. Потім вони використали дані польоту для розрахунку його ефективності під час реальної сонячної бурі. Виявилося, що жилет діятиме приблизно так само ефективно, як і добре захищений бортовий притулок корабля Orion, де екіпаж мав сховатися, щоб перечекати бурю.
Цільове екранування
Розробники космічних кораблів десятиліками вивчали варіанти екранування: від алюмінієвих корпусів та водонепроникних стінок до надпровідних магнітів, які б відхиляли заряджені частинки до того, як вони досягнуть екіпажу. Усі ці методи стикаються з тією самою проблемою. “Питання полягало в тому, як максимально ефективно використовувати масу”, — каже Мілштейн. “Маса — це справжнє обмеження, кожен грам на рахунку”.
Екранувальний одяг, який міг би носити астронавт, є одночасно логічним і абсурдним. Абсурдність полягала в тому, що тривалий час вважалося, ніби захисний одяг повинен виглядати як повний обладунок, щоб забезпечити значущий захист. Ймовірно, його потрібно було б виготовляти зі свинцю чи інших матеріалів високої щільності, що збільшило б масу та зробило б пересування майже неможливим.
Однак інженери StemRad з’ясували, що одягатися як середньовічний лицар не дає суттєвої переваги. Людське тіло, пояснює Мілштейн, не є однаково вразливим до радіації. “Тканини, як-от кістковий мозок, набагато чутливіші до радіації порівняно з мозком”, — каже він. Виходячи з цієї ідеї, StemRad розробила пояс для екстрених служб, що працюють із радіацією, який носиться на стегнах і охоплює приблизно половину кісткового мозку, що виробляє кров. Захист навіть частки кісткового мозку дозволяє людині відновити його та пережити високодозову експозицію.
Таким чином, StemRad, співпрацюючи з Lockheed Martin, розширила цю ідею до жилета для жінок, який, окрім стегон, охоплював також груди, живіт, товсту кишку та репродуктивні органи. Ці ділянки менш небезпечні для життя одразу після опромінення, але несуть довгостроковий ризик раку.
“Це все ще викликає здивування”, — каже Мілштейн. “Усі запитують, а як щодо голови? Але нам вдалося знизити ефективну дозу на 60 відсотків, не захищаючи голову, руки чи навіть ноги”. Проте вибір місця для екранування був лише частиною проблеми. Вибір матеріалу та розробка дизайну, що не обмежував би рухів астронавта, були іншими.
Проблема поділу
“Основним фактором ефективності екранувального матеріалу є його атомний номер, поділений на атомну масу”, — каже Хурі. Водень, який не має нейтронів, має приблизно вдвічі вище співвідношення, ніж будь-який інший елемент, тому воду часто називають хорошим екраном від космічного випромінювання. Поліетилен високої щільності (HDPE), звичайний пластик, містить ще більше водню за масою, ніж вода, і, на відміну від води, він твердий, тому вам не доведеться турбуватися про витоки.
Проблема з твердим, досить жорстким матеріалом, як-от HDPE, полягає в тому, що при достатній товщині для забезпечення гарного захисту від радіації він може знизити комфорт. Щоб обійти це, команда StemRad розбила його на шестикутні стрижні різної довжини та поперечного перерізу. “Ми розділили екранувальні панелі на тисячі шестикутних мозаїчних стрижнів з HDPE”, — каже Хурі. Ці стрижні, розташовані між двома шарами еластичної тканини, зробили жилет надзвичайно гнучким і плинним. “Він поводиться майже так само, як вода, залишаючись при цьому твердим”, — стверджує Хурі.
Довжина стрижнів варіюється від 9 до 60 міліметрів. Інженери розрахували їхню довжину за формулою Бете-Блоха, яка описує, як заряджені частинки втрачають енергію під час руху крізь речовину. Таким чином, команда могла передбачити, як далеко пройде частинка з певною енергією через їхнє екранування, перш ніж зупиниться.
Звісно, розрахунків, навіть високоточних, недостатньо. Щоб отримати достовірні дані, StemRad відправила свій жилет AstroRad у подорож навколо Місяця.
Гельга та Зохар
Оскільки Artemis I летів без екіпажу, жилету потрібні були “дублери”. Місія несла два однакові торси, названі Гельга та Зохар, адаптовані з фантомів дозиметрії, що вже використовуються при плануванні променевої терапії раку. Обидва були виготовлені з матеріалів, еквівалентних тканинам. “Вони були розроблені так, щоб взаємодіяти з радіацією практично так само, як вона взаємодіє з людськими тканинами”, — пояснює Хурі. Зохар пощастило носити жилет. Гельга не мала жодного особистого захисту. Обидва фантоми були оснащені тисячами дозиметрів, які відстежували дозу радіації в конкретні фази польоту, а не лише накопичену дозу.
Більшість радіації, яку зафіксували ці детектори, надходила від проходження місії через внутрішній пояс Ван Аллена Землі, область високоенергетичних захоплених протонів. Під час польоту Artemis I сонячної бурі не було. “Якби ми мали [сонячну подію з частинками], це був би кінець аналізу — ми могли б просто використати ці дані”, — сказав Хурі. Натомість команда використала проходження через пояс як аналог, оскільки енергії протонів приблизно збігаються з тими, що присутні під час типової бурі. Вони створили моделі Монте-Карло космічного корабля, фантомів і жилета, і перевірили їх за дозиметрами. Результати моделей для кожного дозиметра відповідали фактичним виміряним даним з точністю до п’яти відсотків.
Після підтвердження цієї впевненості вони замінили спектр випромінювання пояса на спектри двох історичних сонячних бур, з серпня 1972 та жовтня 1989 року, і дозволили моделям фантомів вільно обертатися, а не сидіти нерухомо, дивлячись вперед, оскільки справжній астронавт не залишався б сидіти протягом усієї події. Жилет знизив ефективну дозу опромінення приблизно на 60 відсотків для події типу 1972 року, але лише близько 40 відсотків для бурі типу 1989 року.
Розрив між бурями
“Буря 1989 року була набагато енергійнішою — спектр був жорсткішим і зміщений у бік вищих енергій. Це був сценарій найгіршого випадку. Буря 1972 року була типовою великою подією”, — пояснює Хурі. Потік частинок сонячних бур зазвичай складається з протонів нижчих енергій, а високоенергетичні експоненційно рідкісніші, тому жилет спрацював саме так. “Основна частина цієї радіації знаходиться в діапазоні нижчих енергій, де ви можете екранувати її за допомогою розумної кількості матеріалу”, — додає Хурі.
З точки зору планування місій, носіння жилета під час однієї великої бурі могло б продовжити кар’єру астронавта приблизно на 40-193 дні, порівняно з 600-мілізівертовим граничним рівнем дози NASA. Це порівнянно зі спеціальним притулком від бурі корабля Orion, добре екранованим відсіком, куди астронавти могли б сховатися, але з ключовою відмінністю: притулок обмежує рух. Астронавти, що ховаються в притулку, не змогли б пересуватися або виконувати операції місії. “З жилетом вони могли б насолоджуватися таким самим рівнем захисту, продовжуючи пересуватися по кабіні. Ми розглядаємо це як захист, що доповнює притулок від бурі”, — каже Хурі.
Однак жилет майже не допомагає проти галактичних космічних променів (GCR), які є іншим основним джерелом радіації, з яким стикаються астронавти. На відміну від радіації від сонячних бур, GCR надходять безперервно з набагато вищими енергіями, що ускладнює їх екранування. “Використовувати жилет проти цих променів було б нерозумно”, — каже Хурі. “Його довелося б носити постійно”.
Проблема в тому, що навряд чи жилет AstroRad буде вдосконалений так, щоб забезпечити більший захист у майбутньому, а той захист, який, на нашу думку, він надає сьогодні, базується переважно на комп’ютерних моделях.
Простір для зменшення
Невизначеності, закладені в комп’ютерні моделі, які команда StemRad використовувала для симуляції роботи жилета проти сонячних бур, включають спрощений двома матеріалами замінник корпусу Orion та спрощений спектр пояса Ван Аллена, який використовував статистичний прогноз, а не прямий запис випромінювання.
Отримання реальних, а не змодельованих даних про роботу жилета означало б відправити його на борту космічного корабля Orion в глибокий космос і чекати, поки станеться сонячна буря, що навряд чи можливо.
Але ще більшим обмеженням для цієї конструкції, за словами команди, є робота з його вагою. У польоті Artemis I жилет важив 26 кілограмів, що приблизно дорівнює вазі повного обладунку середньовічного лицаря. “Буде важко [покращити захист], не додаючи маси”, — каже Мілштейн. Тому команда хоче рухатися в протилежному напрямку.
Замість того, щоб прагнути до більшого захисту, інженери StemRad найближчим часом зосереджуються на збереженні того, що жилет вже робить, одночасно зменшуючи його вагу. Використовуючи дані Artemis I, їм вже вдалося зменшити вагу з 26 до 16 кілограмів. “Це зменшення було досягнуто без значної втрати захисту”, — стверджує Мілштейн. За його словами, мета — легший жилет, який астронавти могли б носити не тільки під час піку бурі, але й протягом кількох днів навколо нього.
Дослідження випробувань AstroRad під час місії Artemis I опубліковано в Science Advances: http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.adz1892.
За даними порталу: arstechnica.com