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 протонні імпульси, достатньо інтенсивні, щоб підвищити ризик раку в астронавта або навіть спричинити променеву хворобу. Атмосфера та магнітне поле Землі поглинають це випромінювання, але екіпажі, що прямують на Місяць або Марс, не матимуть такого захисту, а 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 засоби індивідуального захисту від радіації, запропонувала вирішити цю проблему шляхом екранування астронавтів, а не космічного корабля.
Щоб перевірити цю ідею, команда StemRad відправила носимий жилет для захисту від радіації під назвою AstroRad на Місяць і назад на борту безпілотної місії NASA “Артеміда I”, а потім використала дані польоту для розрахунку його ефективності під час справжньої сонячної бурі. Виявилося, що жилет працював приблизно так само добре, як бортове укриття корабля “Оріон”, яке мало потужне екранування і в якому екіпаж мав би сховатися, щоб пережити бурю.
Цільове екранування
Протягом десятиліть проєктувальники космічних кораблів розглядали різні варіанти екранування: від алюмінієвих корпусів і стін, наповнених водою, до надпровідних магнітів, які відхиляли б заряджені частинки перед тим, як вони досягнуть екіпажу. Усі ці методи стикаються з однією проблемою. “Питання полягало в тому, як максимально ефективно використовувати масу”, — говорить Мілстейн. “Маса — це справді вузьке місце, кожен грам має значення”.
Захисний одяг, який може носити астронавт, водночас є логічним і абсурдним. Абсурдність полягала в тому, що тривалий час люди вважали, ніби захисний одяг має виглядати як повний латний обладунок, щоб забезпечити значущий захист. Ймовірно, його потрібно було 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 особливої переваги. Людське тіло, пояснює Мілстейн, не є однаково вразливим до радіації. “Тканини, такі як кістковий мозок, набагато більш чутливі до радіації, ніж мозок”, — каже він. Дотримуючись цієї ідеї, StemRad розробив пояс для перших реагуючих на ядерні катастрофи, який носиться на стегнах і містить приблизно половину кісткового мозку людини — тканини, що виробляє кров. Захист навіть частини кісткового мозку дозволяє людині відновити його і пережити вплив високих доз.
Таким чином, StemRad, співпрацюючи з Lockheed Martin, розширив цю ідею, створивши жіночий жилет, який, крім стегон, також покривав груди, живіт, товсту кишку та репродуктивні органи. Ці ділянки менш небезпечні для життя при опроміненні, але несуть довгостроковий ризик раку.
“Це все ще дивує людей”, — каже Мілстейн. “Усі запитують, а як щодо голови? Але ми насправді можемо 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 обмежував би рухів астронавта, були іншою частиною.
Проблема поділу
“Первинним фактором ефективності матеріалу екранування є його атомний номер, поділений на атомну масу”, — говорить Хурі. Водень, який не має нейтронів, має приблизно вдвічі вище співвідношення, ніж будь-який інший елемент, тому вода часто згадується як хороший засіб для космічного захисту від радіації. Високощільний поліетилен (HDPE), звичайний пластик, містить ще більше водню на одиницю маси, ніж вода, і, на відміну від води, він твердий, тому вам не доведеться турбуватися про витоки.
Проблема з твердим, досить жорстким матеріалом, як HDPE, полягає в тому, що коли він робиться 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 перерізу. “Ми розділили панелі екранування на тисячі шестикутних мозаїчних 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.
Стрижні мають довжину 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 їх екранування, перш ніж зупиниться.
Звісно, розрахунків, навіть дуже точних, недостатньо. Щоб отримати достовірні дані, StemRad відправив свій жилет AstroRad у подорож навколо Місяця.
Гельга та Зохар
Оскільки “Артеміда I” летіла без екіпажу, жилету потрібні були замінники. Місія несла два ідентичні торси, названі Гельга та Зохар, адаптовані з фантомів дозиметрії для радіотерапії, які вже використовувалися при плануванні 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 щасливим, хто носив жилет. Гельга не мала жодного особистого захисту. Обидва фантоми були оснащені тисячами дозиметрів, що відстежували дозу випромінювання протягом конкретних фаз польоту, а не лише кумулятивну дозу.
Однак більша частина випромінювання, записаного цими детекторами, походила від проходження місії через внутрішній пояс Ван Аллена Землі — регіон високоенергетичних захоплених протонів. Під час польоту “Артеміда 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 перетин пояса як замінник, оскільки його енергії протонів приблизно збігаються з енергіями, присутніми під час типової бурі. Вони створили Монте-Карло симуляції космічного корабля, фантомів і жилета та перевірили їх за дозиметрами. Результат моделей для кожного дозиметра відрізнявся від фактичних виміряних даних не більше ніж на п’ять відсотків.
Після встановлення впевненості вони замінили спектр випромінювання пояса на спектри двох історичних сонячних бур, від серпня 1972 року та жовтня 1989 року, і дозволили симульованим 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 типу 1972 року, але лише приблизно на 40 відсотків для бурі типу 1989 року.
Проміжок між бурями
“Буря 1989 року була набагато енергійнішою — спектр був жорсткішим і зміщеним до вищих енергій. Це був скоріше найгірший сценарій. Буря 1972 року була більш типовою великою подією”, — пояснює Хурі. Потік частинок сонячної бурі зазвичай домінує протонами нижчих енергій, а високоенергетичні протоні експоненційно рідкісніші, тому жилет працював саме так. “Основна частина цього випромінювання знаходиться в діапазоні нижчих енергій, де ви можете захистити його відносно невеликою кількістю матеріалу”, — додає Хурі.
Переведено на мову 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 NASA за все життя. Це порівнянно зі спеціальним укриттям від бур на “Оріоні” — кабіною з потужним екрануванням, до якої астронавти могли б відступити, але з ключовою відмінністю: укриття є обмежувальним. Астронавти, що ховаються в укритті, не змогли б рухатися або виконувати операції місії. “З жилетом вони могли б насолоджуватися таким самим рівнем захисту, продовжуючи рухатися по кабіні. Ми розглядаємо це як захист, що доповнює укриття від бур”, — каже Хурі.
Однак жилет майже нічого не робить проти галактичних космічних променів (GCR), які є іншим основним джерелом радіації, 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 AstroRad навряд чи буде вдосконалений так, щоб запропонувати більший захист у майбутньому, а захист, який, як ми вважаємо, він пропонує сьогодні, базується переважно на комп’ютерних моделях.
Місце для зменшення
Невизначеності, вбудовані в комп’ютерні моделі, які використовувала команда StemRad для симуляції ефективності жилета проти сонячних бур, включають спрощену двоматеріальну заміну корпусу “Оріона” та спрощений спектр пояса 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 “Оріон” у глибокий космос і чекати, поки станеться сонячна буря, що навряд чи можливо.
Але ще більшим обмеженням для цього дизайну, каже команда, є робота з його вагою. Як було під час польоту “Артеміда I”, жилет важив 26 кілограмів, що приблизно дорівнює повній латній броні середньовічного лицаря. “Буде важко [покращити захист], не додаючи більше маси”, — каже Мілстейн. Тому команда хоче піти 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 “Артеміда I”, їм вже вдалося зменшити його вагу з 26 до 16 кілограмів. “Це зменшення відбулося без втрати значної частини захисту”, — стверджує Мілстейн. За його словами, мета — створити легший жилет, який астронавти могли б носити не тільки під час піку бурі, а й за кілька днів до та 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