Захистимо астронавтів, а не космічний корабель.
Сонячні бурі, подібні до тієї, що сталася в серпні 1972 року між місіями “Аполлон-16” і “Аполлон-17”, викидають потоки протонів, настільки потужні, що можуть підвищити ризик раку у астронавта або навіть спричинити променеву хворобу. Атмосфера та магнітне поле Землі поглинають це випромінювання, але екіпажі, які прямують до Місяця чи Марса, не матимуть такого захисту, і жоден космічний корабель, збудований досі, не має достатнього екранування, щоб його зупинити.
Команда під керівництвом Джордана Хурі та Орена Мілстейна з StemRad, ізраїльсько-американського стартапу, що розробляє персональне захисне спорядження від радіації, запропонувала вирішити цю проблему шляхом екранування астронавтів, а не космічного корабля.
Щоб перевірити цю ідею, команда StemRad відправила на Місяць і назад портативний жилет для захисту від радіації під назвою AstroRad на борту безпілотної місії NASA “Артеміда I”, а потім використала дані польоту для розрахунку його ефективності під час справжньої сонячної бурі. Виявилося, що жилет працюватиме приблизно так само добре, як бортовий притулок корабля Orion, який мав надійне екранування і куди екіпаж мав би сховатися, щоб перечекати бурю.
Цільове екранування
Дизайнери космічних кораблів десятиліттями розглядали варіанти екранування, від алюмінієвих корпусів до стін, заповнених водою, та надпровідних магнітів, які б відхиляли заряджені частинки перед тим, як вони досягнуть екіпажу. Усі вони стикаються з однією проблемою. “Питання полягало в тому, як використати масу максимально ефективно”, — каже Мілстейн. “Маса — це справді вузьке місце, кожен грам має значення”.
Одяг для екранування, який міг би носити астронавт, є водночас і логічним, і абсурдним. Абсурдним було те, що протягом тривалого часу вважалося, ніби захисний одяг повинен виглядати як повна лицарська броня, щоб забезпечити значущий захист. Ймовірно, його довелося б виготовляти зі свинцю або інших матеріалів високої щільності, що збільшило б масу і зробило б пересування майже неможливим.
Однак інженери StemRad з’ясували, що одягатися як середньовічний лицар не дає значної переваги. Людське тіло, пояснює Мілстейн, не є однаково вразливим до радіації. “Тканини, такі як кістковий мозок, значно чутливіші до радіації порівняно з мозком”, — каже він. Дотримуючись цієї ідеї, StemRad розробила пояс для перших реагуючих на ядерні аварії, який носили на стегнах і який утримує приблизно половину кісткового мозку тіла — тканини, що виробляє кров’яні клітини. Захист навіть частини кісткового мозку дозволяє людині відновити його та пережити опромінення високою дозою.
Тому StemRad, співпрацюючи з Lockheed Martin, розширила цю ідею на жіночий жилет, який, крім стегон, також покривав груди, живіт, товсту кишку та репродуктивні органи. Ці органи менш небезпечні для життя при опроміненні, але несуть довгостроковий ризик раку.
“Це все ще дивує людей”, — каже Мілстейн. “Усі запитують, що щодо голови? Але ми насправді змогли знизити ефективну дозу на 60 відсотків, не захищаючи голову, руки чи навіть ноги”. Але вибір місця для екранування був лише частиною проблеми. Вибір матеріалу та створення дизайну, який не перешкоджав би рухам астронавта, був іншою.
Проблема поділу
“Основним фактором ефективності екранувального матеріалу є його атомний номер, поділений на його атомну масу”, — каже Хурі. Водень, який не має нейтронів, має приблизно вдвічі вище співвідношення, ніж будь-який інший елемент, тому вода часто згадується як хороший екран від космічної радіації. Високогустий поліетилен (HDPE), звичайний пластик, містить ще більше водню на одиницю маси, ніж вода, і, на відміну від води, він є твердим, тому вам не доведеться турбуватися про витоки.
Проблема з твердим, досить жорстким матеріалом, як HDPE, полягає в тому, що коли він виготовляється достатньо товстим, щоб забезпечити хороший захист від радіації, це може вплинути на комфорт. Щоб обійти це, команда StemRad розділила його на шестикутні стрижні різної довжини та перерізу. “Ми розділили екранувальні панелі на тисячі шестикутних тесельованих стрижнів з HDPE”, — каже Хурі. Ці стрижні, затиснуті між двома шарами еластичної тканини, зробили жилет надзвичайно гнучким і плинним. “Він майже поводиться так само, як вода, залишаючись при цьому твердим”, — стверджує Хурі.
Довжина стрижнів становить від 9 до 60 міліметрів. Інженери розрахували їх довжину за формулою Бете-Блоха, яка описує, як заряджені частинки втрачають енергію під час руху через матерію. Таким чином, команда могла передбачити, як далеко частинка з певною енергією пройде через їхнє екранування, перш ніж зупиниться.
Звичайно, розрахунків, навіть високоточних, недостатньо. Щоб отримати достовірні дані, StemRad відправила свій жилет AstroRad у подорож навколо Місяця.
Хельга та Зохар
Оскільки “Артеміда I” летіла без екіпажу, жилету потрібні були замінники. Місія несла два ідентичних торси, названих Хельга та Зохар, адаптованих з фантомів дозиметрії для радіотерапії, які вже використовуються при плануванні лікування 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 був щасливчиком, який носив жилет. Хельга не мала жодного особистого захисту. Обидва фантоми були оснащені тисячами дозиметрів, що відстежували дозу випромінювання протягом певних фаз польоту, а не лише накопичувальну загальну дозу.
Більшість випромінювання, яке зафіксували всі ці детектори, однак, походило від проходження місії через внутрішній радіаційний пояс Ван Аллена Землі, регіон високоенергетичних захоплених протонів. Під час польоту “Артеміди I” сонячних бур не було. “Якби у нас була [сонячна подія], це був би кінець аналізу — ми б могли просто використати ці дані”, — сказав Хурі. Натомість команда використала перетин поясу як аналог, оскільки енергії протонів приблизно перекриваються з тими, що присутні під час типової бурі. Вони побудували Монте-Карло симуляції космічного корабля, фантомів і жилета та перевірили їх за показниками дозиметрів. Результати моделей для кожного дозиметра відрізнялися від фактичних виміряних даних не більше ніж на п’ять відсотків.
Після встановлення цієї впевненості вони замінили спектр випромінювання поясу на спектри двох історичних сонячних бур, з серпня 1972 року та жовтня 1989 року, і дозволили змодельованим фантомам вільно обертатися, а не сидіти нерухомо, спрямованими вперед, оскільки справжній астронавт не сидів би нерухомо протягом усієї події. Жилет зменшив ефективну дозу випромінювання приблизно на 60 відсотків для події 1972 року, але лише приблизно на 40 відсотків для бурі, подібної до 1989 року.
Розрив між бурями
“Буря 1989 року була набагато енергійнішою — спектр був жорсткішим і зміщений у бік вищих енергій. Це був скоріше найгірший сценарій. Буря 1972 року була більш типовою великою подією”, — пояснює Хурі. Потік частинок сонячних бур зазвичай домінує протонами нижчих енергій, а високоенергетичні експоненціально рідкісні, тому жилет працював саме так. “Основна частина цього випромінювання знаходиться в діапазоні нижчих енергій, де його можна екранувати за допомогою помірної 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 лімітом дози NASA протягом життя. Це порівнянно зі спеціальним притулком для бурі корабля Orion — добре екранованим відсіком, куди астронавти могли б відступити, але з ключовою відмінністю: притулок обмежує рух. Астронавти, що ховаються в притулку, не могли б рухатися або виконувати операції місії. “З жилетом вони могли б отримати однаковий рівень захисту, продовжуючи рухатися по кабіні. Ми розглядаємо це як захист, що доповнює притулок від бурі”, — каже Хурі.
Однак жилет майже нічого не робить проти галактичних космічних променів (GCR), які є іншим основним джерелом випромінювання, з яким стикаються астронавти. На відміну від випромінювання сонячних бур, GCR надходять безперервно з набагато вищими енергіями, що ускладнює їх екранування. “Використовувати жилет проти цих променів було б недоцільно”, — каже Хурі. “Його довелося б носити весь час”.
Проблема полягає в тому, що малоймовірно, що жилет AstroRad буде вдосконалений таким чином, щоб запропонувати більше захисту в майбутньому, а захист, який, на нашу думку, він забезпечує сьогодні, ґрунтується головним чином на комп’ютерних моделях.
Простір для зменшення
Невизначеності, вбудовані в комп’ютерні моделі, які команда StemRad використовувала для моделювання ефективності жилета проти сонячних бур, включають спрощену двоматеріальну заміну корпусу Orion та спрощений спектр радіаційного поясу Ван Аллена, який використовував статистичний прогноз, а не прямий запис випромінювання.
Отримання реальних, а не змодельованих даних про ефективність жилета означало б відправити його на борту космічного корабля Orion в глибокий космос і чекати, поки станеться сонячна буря, що навряд чи є здійсненним.
Але ще більшим обмеженням для цього дизайну, каже команда, є боротьба з його вагою. У польоті на “Артеміда I” жилет важив 26 кілограмів, що приблизно дорівнює повній комплекції середньовічної лицарської броні. “Буде важко [покращити захист], не додаючи більше маси”, — каже Мілстейн. Тому команда хоче рухатися в протилежному напрямку.
Замість того, щоб прагнути до більшого захисту, інженери StemRad зосереджуються на збереженні того, що жилет вже робить, одночасно зменшуючи його вагу. Використовуючи дані “Артеміди I”, їм вже вдалося зменшити вагу з 26 кілограмів до 16. “Це скорочення відбулося без значної втрати захисту”, — стверджує Мілстейн. Мета, каже він, — легший жилет, який астронавти могли б носити не тільки під час піку бурі, але й за кілька днів до і після неї.
Дослідження випробувань AstroRad під час місії “Артеміда I” опубліковано в Science Advances: http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.adz1892.
За даними порталу: arstechnica.com