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 спалахи протонів, настільки інтенсивні, що можуть підвищити ризик розвитку раку в астронавта або навіть спричинити променеву хворобу. Атмосфера та магнітне поле Землі поглинають це випромінювання, але екіпажі, які прямують до Місяця або Марса, не матимуть такого захисту, і жоден космічний корабель, побудований досі, не має достатнього екранування, щоб його зупинити.
Команда під керівництвом Джордана Хорі та Орена Мілштейна зі StemRad, ізраїльсько-американського стартапу, що розробляє засоби індивідуального захисту від радіації, запропонувала вирішити цю проблему шляхом екранування астронавтів, а не космічного корабля.
Щоб протестувати цю ідею, команда StemRad відправила на Місяць і назад носимий жилет для захисту від радіації AstroRad на борту безпілотної місії NASA Artemis I, а потім використала дані польоту для розрахунку його ефективності під час реальної сонячної бурі. Виявилося, що жилет працюватиме приблизно так само добре, як і високозахищене бортове сховище корабля Orion, де екіпаж мав переховуватися під час бурі.
Цільове екранування
Розробники космічних кораблів десятиліками зважували варіанти екранування: від алюмінієвих корпусів і водонепроникних стінок до надпровідних магнітів, які б відхиляли заряджені частинки ще до того, як вони досягнуть екіпажу. Усі ці методи стикаються з однією проблемою. «Питання полягало в тому, як ефективно використовувати масу», — каже Мілштейн. «Маса — це справжній вузький прохід, кожен грам має значення».
Захисний одяг, який міг би носити астронавт, здається одночасно логічним і абсурдним. Абсурдним було те, що довгий час люди вважали, ніби захисний одяг має виглядати як повна латна броня, щоб забезпечити значущий захист. Ймовірно, його довелося б виготовляти зі свинцю або інших матеріалів високої щільності, що збільшило б масу і зробило пересування майже неможливим.
Однак інженери StemRad з’ясували, що одягатися як середньовічний лицар не дає значної переваги. Людське тіло, пояснює Мілштейн, нерівномірно вразливе до радіації. «Тканини, такі як кістковий мозок, набагато чутливіші до радіації порівняно з мозком», — говорить він. Дотримуючись цієї ідеї, StemRad розробила пояс для перших реагуючих на ядерні інциденти, який носиться на стегнах і захищає приблизно половину кісткового мозку людини — тканини, що виробляє клітини крові. Захист навіть невеликої частини кісткового мозку дозволяє людині відновити його і пережити вплив високих доз.
Таким чином, StemRad, співпрацюючи з Lockheed Martin, розширила цю ідею до жіночого жилета, який, крім стегон, також захищав груди, живіт, товсту кишку та репродуктивні органи. Ці частини тіла менш небезпечні при опроміненні, але несуть довгостроковий ризик розвитку раку.
«Це все ще дивує людей», — каже Мілштейн. «Усі запитують, а як щодо голови? Але ми насправді змогли зменшити ефективну дозу на 60 відсотків, не захищаючи голову, руки чи навіть ноги». Однак вибір місця для екранування був лише частиною проблеми. Вибір матеріалу та розробка дизайну, який не перешкоджатиме рухам астронавта, були іншим завданням.
Проблема поділу
«Основний фактор ефективності екранувального матеріалу — це його атомний номер, поділений на атомну масу», — каже Хорі. Водень, який не має нейтронів, має приблизно вдвічі більшу пропорцію, ніж будь-який інший елемент, тому воду часто називають хорошим засобом для захисту від космічного випромінювання. Високощільний поліетилен (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 HDPE, полягає в тому, що коли він стає достатньо товстим для хорошого захисту від радіації, це може вплинути на 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 Хорі. Ці стрижні, затиснуті між двома шарами еластичної тканини, зробили жилет надзвичайно гнучким і схожим на рідину. «Він поводиться майже так само, як вода, залишаючись при цьому твердим», — стверджує Хорі.
Стрижні мають довжину від 9 до 60 міліметрів. Інженери розрахували їхню 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.
Звісно, розрахунків, навіть дуже точних, недостатньо. Щоб отримати реальні дані, StemRad відправила свій жилет AstroRad у подорож навколо Місяця.
Хельга і Зохар
Оскільки Artemis I летів без екіпажу, жилету потрібні були замінники. Місія несла два ідентичні торси, названі Хельга та Зохар, адаптовані з фантомів для дозиметрії при радіотерапії, які вже використовуються для планування 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 Хорі. Зохар був щасливчиком, який носив жилет. Хельга не мала жодного особистого захисту. Обидва фантоми були оснащені тисячами дозиметрів, які відстежували дозу радіації за конкретними фазами польоту, а не лише накопичувальну суму.
Більшість випромінювань, зафіксованих усіма цими детекторами, однак, походить від проходження місії через внутрішній радіаційний пояс Ван Аллена Землі, регіон високоенергетичних захоплених протонів. Під час польоту Artemis I сонячної бурі не було. «Якби у нас сталася [сонячна подія], це був би кінець аналізу — ми могли б просто використати ці дані», — сказав Хорі. Натомість команда використала перетин поясу як проксі, оскільки його енергії протонів приблизно збігаються з енергіями, присутніми під час типової бурі. Вони побудували Монте-Карло симуляції космічного корабля, фантомів та жилета і перевірили їх з дозиметрами. Результати моделей для кожного дозиметра були в межах п’яти відсотків від фактичних виміряних даних.
Після встановлення впевненості вони замінили спектр випромінювання поясу на спектри двох історичних сонячних бурь — від серпня 1972 та жовтня 1989 року, і дозволили симульованим фантомам вільно обертатися, а не сидіти нерухомо, спрямовані вперед, оскільки справжній астронавт не залишався б сидіти протягом усієї події. Жилет зменшив ефективну дозу випромінювання приблизно на 60 відсотків для події типу 1972 року, але лише приблизно на 40 відсотків для бурі типу 1989 року.
Розрив між бурями
«Буря 1989 року була набагато більш енергетичною — спектр був жорсткішим і зміщеним у бік вищих енергій. Це був сценарій найгіршого випадку. Буря 1972 року була більш типовою великою подією», — пояснює Хорі. Потік частинок сонячних бур зазвичай домінує протонами низької енергії, а високоенергетичні експоненціально рідкісніші, тому жилет працював так, як він працював. «Основна маса цього випромінювання припадає на діапазон низьких енергій, де його можна екранувати помірною кількістю матеріалу», — додає Хорі.
Іншими словами, носіння жилета під час однієї великої бурі могло б продовжити кар’єру астронавта приблизно на 40-193 дні, виходячи з 600-мілізівертного довічного ліміту дози NASA. Це порівнянно зі спеціальним сховищем корабля Orion — кабіною з посиленим екрануванням, до якої астронавти могли б відступити, але з ключовою відмінністю: сховище обмежує рух. Астронавти, що ховаються в сховищі, не змогли б пересуватися або виконувати операції місії. «З жилетом вони могли б отримати такий самий рівень захисту, продовжуючи рухатися по кабіні. Ми розглядаємо це як захист, що доповнює сховище від бурі», — каже Хорі.
Однак жилет майже не допомагає проти 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 важчими для екранування. «Використовувати жилет проти цих променів було б недоцільно», — каже Хорі. «Його довелося б носити постійно».
Проблема в тому, що жилет AstroRad навряд чи буде покращуватися таким чином, щоб забезпечити більший захист у майбутньому, а захист, який, на нашу думку, він надає сьогодні, в основному базується на комп’ютерних моделях.
Простір для зменшення
Невизначеності, закладені в комп’ютерні моделі, які команда StemRad використовувала для симуляції ефективності жилета проти сонячних бур, включають спрощену двоматеріальну модель корпусу Orion та спрощений спектр радіаційного поясу Ван Аллена, який використовував статистичний прогноз, а не прямий запис випромінювання.
Отримання реальних, а не симульованих 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 здійсненно.
Але ще більшим обмеженням для цієї конструкції, каже команда, є боротьба з її вагою. У версії, що літала на Artemis I, жилет важив 26 кілограмів, що приблизно дорівнює повній латній середньовічній броні. «Буде важко [покращити захист], не додаючи більше маси», — сказав Мілштейн. Тому команда хоче рухатися в протилежному напрямку.
Замість того, щоб домагатися більшого захисту, інженери StemRad зосереджуються на збереженні того, що жилет вже робить, одночасно зменшуючи його вагу. Використовуючи дані Artemis I, вони вже змогли зменшити його вагу з 26 до 16 кілограмів. «Це зменшення було досягнуто без значної втрати захисту», — стверджує Мілштейн. Мета, каже він, — це легший жилет, який астронавти могли б носити не тільки під час піку бурі, але й за кілька днів до та після неї.
Дослідження про випробування AstroRad під час місії Artemis I опубліковано в Science Advances: http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.adz1892.
За матеріалами: arstechnica.com