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, настільки потужні, що вони можуть підвищити ризик раку в астронавта або навіть спричинити променеву хворобу. Атмосфера та магнітне поле Землі поглинають цей радіаційний вплив, але екіпажі, які прямують на Місяць або Марс, не матимуть такого захисту, а жоден космічний корабель, побудований досі, не має достатнього екранування, щоб його зупинити.
Команда під керівництвом Джордана Хурі та Орена Мілштейна зі StemRad, ізраїльсько-американського стартапу, що розробляє індивідуальне захисне спорядження від радіації, запропонувала розв’язати цю проблему, захищаючи 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 «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 і бортове укриття корабля «Оріон» з його потужним екрануванням, де екіпаж мав сховатися, щоб перечекати бурю.
Цільове екранування
Протягом десятиліть розробники космічних кораблів розглядали варіанти екранування: від алюмінієвих корпусів до стін, заповнених водою, та надпровідних магнітів, які відхиляли б заряджені частинки до прибуття екіпажу. Усі вони стикалися з однаковою проблемою. «Питання полягало в тому, як дуже ефективно використовувати масу», — каже Мілштейн. «Маса — це справді вузьке місце, кожен грам має значення».
Захисний одяг, який може носити астронавт, є одночасно логічним і абсурдним. Абсурдність полягала в тому, що довгий час люди вважали, ніби захисний одяг має виглядати як повна броня, щоб забезпечити значущий захист. Ймовірно, його довелося б виготовляти зі свинцю або інших високощільностіх матеріалів, що збільшило б масу і зробило б пересування майже неможливим.
Однак інженери StemRad з’ясували, що одягатися як середньовічний лицар не дає суттєвих переваг. Людське тіло, пояснює Мілштейн, нерівномірно вразливе до радіації. «Тканини, як-от кістковий мозок, значно чутливіші до радіації порівняно з мозком», — каже він. Дотримуючись цієї ідеї, StemRad розробила пояс для перших реагувальників у разі ядерних загроз, який носиться на стегнах і містить приблизно половину кісткового мозку тіла — тканини, що виробляє кров. Захист навіть частини кісткового мозку дозволяє людині відновити його та вижити після опромінення високою дозою.
Тож StemRad, співпрацюючи з Lockheed Martin, розширила цю ідею, створивши жіночий жилет, який, крім стегон, покриває також груди, живіт, товсту кишку та репродуктивні органи. Ці органи менш небезпечні для життя миттєво під час опромінення, але несуть довгостроковий ризик раку.
«Це все ще викликає здивування», — каже Мілштейн. «Всі запитують, що з головою? Але ми фактично змогли зменшити ефективну дозу на 60 відсотків, не захищаючи голову, руки чи навіть ноги». Проте вибір місця для екранування був лише частиною проблеми. Вибір матеріалу та створення дизайну, який не обмежуватиме рухи астронавта, був іншою.
Проблема розподілу
«Основним фактором ефективності екрануючого матеріалу є його атомний номер, поділений на атомну масу», — каже Хурі. Водень, який не має нейтронів, має приблизно вдвічі вище це співвідношення, ніж будь-який інший елемент, тому вода часто згадується як хороший щит від космічної радіації. Поліетилен високої щільності (HDPE), звичайний пластик, містить ще більше водню за масою, ніж вода, і, на відміну від води, він твердий, тому не потрібно турбуватися про витоки.
Проблема з твердим, досить жорстким матеріалом, як-от HDPE, полягає в тому, що при достатній товщині для забезпечення хорошого захисту від радіації він може знизити комфорт. Щоб обійти це, команда StemRad розбила його на шестикутні стрижні різної довжини та перерізу. «Ми розділили екрануючі панелі на тисячі шестикутних мозаїчних стрижнів з HDPE», — каже Хурі. Ці стрижні, вкладені між двома шарами еластичної тканини, зробили жилет надзвичайно гнучким і схожим на рідину. «Він поводиться майже так само, як вода, залишаючись твердим», — стверджує Хурі.
Довжина стрижнів коливається від 9 до 60 міліметрів. Інженери розрахували їхню довжину, використовуючи формулу Бете-Блоха, яка описує, як заряджені частинки втрачають енергію під час руху крізь матерію. Таким чином, команда могла передбачити, як далеко частинка з певною енергією пройде через їхнє екранування, перш ніж зупиниться.
Звичайно, обчислень, навіть високоточних, недостатньо. Щоб отримати достовірні дані, StemRad відправила свій жилет AstroRad у подорож навколо Місяця.
Гельга та Зохар
Оскільки «Артеміда I» летіла без екіпажу, жилету потрібні були заступники, щоб його носити. Місія несла два ідентичні торси, названі Гельга та Зохар, адаптовані з фантомів дозиметрії променевої терапії, які вже використовуються для планування лікування раку. Обидва були виготовлені з матеріалів, еквівалентних тканинам. «Вони були розроблені так, щоб взаємодіяти з радіацією майже так само, як вона взаємодіє з людськими тканинами», — пояснює Хурі. Зохар був щасливчиком, який носив жилет. У Гельги не було індивідуального захисту. Обидва фантоми були оснащені тисячами дозиметрів, які відстежували дозу опромінення протягом конкретних фаз польоту, а не лише накопичувальну загальну кількість.
Однак більша частина радіації, яку зареєстрували всі ці детектори, походила від проходження місії через внутрішній пояс Ван Аллена Землі — область високоенергетичних захоплених протонів. Під час польоту «Артеміди I» сонячної бурі не було. «Якби ми мали [сонячну протонну подію], це був би кінець аналізу — ми могли б просто використати ці дані», — сказав Хурі. Натомість команда використала перетин поясу як замінник, оскільки його енергії протонів приблизно перекриваються з тими, що присутні під час типової бурі. Вони побудували симуляції Монте-Карло космічного корабля, фантомів та жилета і перевірили їх за дозиметрами. Результати моделей для кожного дозиметра відхилялися від фактичних виміряних даних не більше ніж на п’ять відсотків.
Після встановлення такої впевненості вони замінили спектр випромінювання поясу на спектри двох історичних сонячних бур, від 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 опромінення приблизно на 60 відсотків для події типу 1972 року, але лише приблизно на 40 відсотків для бурі, схожої на 1989 рік.
Проміжок між бурями
«Буря 1989 року була набагато енергійнішою — спектр був жорсткішим і зміщений до вищих енергій. Це був радше найгірший сценарій. Буря 1972 року була більш типовою великою подією», — пояснює Хурі. Потік частинок сонячної бурі зазвичай домінує протонами низьких енергій, а високоенергетичні є експоненційно рідкіснішими, тому жилет спрацював саме так. «Основна частина цього випромінювання знаходиться в діапазоні нижчих енергій, де його можна екранувати розумною кількістю матеріалу», — додає Хурі.
Якщо перекласти це на планування місії, носіння жилета під час однієї великої бурі могло б продовжити кар’єру астронавта приблизно на 40-193 дні, порівняно з 600-мілізівертовим граничним дозвільним лімітом NASA. Це порівнянно зі спеціальним укриттям від бурі «Оріона», сильно екранованою кабіною, до якої астронавти могли б відступити, але з ключовою відмінністю: укриття обмежує рух. Астронавти, що ховаються в укритті, не змогли б рухатися або виконувати операції місії. «З жилетом вони змогли б отримати однаковий рівень захисту, продовжуючи рухатися по кабіні. Ми розглядаємо це як захист, що доповнює укриття від бурі», — каже Хурі.
Однак жилет майже не захищає від галактичних космічних променів (GCR), які є іншим основним джерелом радіації, з яким стикаються астронавти. На відміну від радіації сонячних бур, GCR надходять безперервно з набагато вищими енергіями, що робить їх складнішими для екранування. «Використовувати жилет проти цих променів було б недоцільно», — каже Хурі. «Його довелося б носити постійно».
Проблема полягає в тому, що AstroRad навряд чи буде вдосконалений таким чином, щоб запропонувати більший захист у майбутньому, а захист, який, як ми вважаємо, він надає сьогодні, ґрунтується переважно на комп’ютерних моделях.
Місце для зменшення
Невизначеності, притаманні комп’ютерним моделям, які команда StemRad використовувала для симуляції ефективності жилета проти сонячних бур, включають спрощений двоматеріальний замінник корпусу «Оріона» та спрощений спектр 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 «Оріон» у глибокий космос і чекати, поки станеться сонячна буря, що навряд чи можливо.
Але ще більшим обмеженням для цього дизайну, каже команда, є боротьба з його вагою. Як було показано під час польоту «Артеміди I», жилет важив 26 кілограмів, що приблизно дорівнює вазі повного комплекту середньовічної латної броні. «Буде важко [покращити захист], не додавши маси», — каже Мілштейн. Тому команда хоче рухатися в протилежному напрямку.
Замість того, щоб гнатися за більшим захистом, інженери StemRad найближчим часом зосереджуються на збереженні того, що жилет вже робить, одночасно зменшуючи його вагу. Використовуючи дані «Артеміди I», їм вже вдалося зменшити вагу з 26 до 16 кілограмів. «Це зменшення було досягнуто без втрати значної частини захисту», — стверджує Мілштейн. Мета, за його словами, — легший жилет, який астронавти могли б носити не лише під час піку бурі, але й протягом кількох днів до та після неї.
Дослідження тестування AstroRad під час місії «Артеміда I» опубліковано в Science Advances: http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.adz1892.
Джерело новини: arstechnica.com