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 розвитку раку в астронавта або навіть викликати променеву хворобу. Атмосфера та магнітне поле Землі поглинають цей радіаційний вплив, але екіпажі, що прямують до Місяця чи Марса, не матимуть такого захисту, а жоден космічний корабель, побудований досі, не має достатнього екранування, щоб зупинити його.
Команда під керівництвом Джордана Хорі та Орена Мілштейна зі StemRad, ізраїльсько-американського стартапу, що розробляє індивідуальне захисне спорядження від радіації, запропонувала вирішити цю проблему шляхом екранування астронавтів, а не космічного корабля.
Щоб перевірити цю ідею, команда StemRad відправила портативний захисний від радіації жилет 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 працюватиме приблизно так само добре, як і потужно захищений бортовий притулок корабля «Оріон», де екіпаж мав би сховатися під час бурі.
Цільове екранування
Конструктори космічних кораблів десятиліттями зважували варіанти екранування: від алюмінієвих корпусів до стін, заповнених водою, і надпровідних магнітів, які б відхиляли заряджені частинки до того, як вони досягнуть екіпажу. Усі ці методи стикаються з однаковими викликами. «Питання полягало в тому, як використовувати масу дуже ефективно, — каже Мілштейн. — Маса — це справді вузьке місце, кожен грам має значення».
Захисний одяг, який астронавт міг би носити, є водночас і логічним, і абсурдним. Абсурдність полягала в тому, що довгий час люди вважали, що захисний одяг повинен виглядати як повний латний обладунок, 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 одяг середньовічного лицаря не дає значного ефекту. Людське тіло, пояснює Мілштейн, не є однаково вразливим до радіації. «Тканини, такі як кістковий мозок, набагато чутливіші до радіації порівняно з мозком», — каже він. Дотримуючись цієї ідеї, StemRad розробила ремінь для перших реагуючих на ядерні аварії, що носиться на стегнах, де розташована приблизно половина кісткового мозку людини — тканини, яка виробляє клітини крові. Захист навіть частки кісткового мозку дозволяє людині відновити його і пережити високодозову експозицію.
Таким чином, StemRad, співпрацюючи з Lockheed Martin, розширила цю ідею до жіночого жилета, який, крім стегон, також покривав груди, живіт, товсту кишку та репродуктивні органи. Ці органи менш небезпечні для життя при опроміненні, але несуть довгостроковий ризик розвитку раку.
«Це все ще дивує людей, — каже Мілштейн. — Усі питають, що робити з головою? Але ми змогли зменшити ефективну дозу на 60 відсотків, не захищаючи голову, руки чи навіть ноги». Але вибір місця для екранування був лише частиною проблеми. Вибір матеріалу та розробка дизайну, який не обмежував би рухів астронавта, були іншою частиною.
Проблема розподілу
«Основним фактором ефективності екрануючого матеріалу є його атомний номер, поділений на його атомну масу», — каже Хорі. Водень, який не має нейтронів, має приблизно вдвічі більший показник, ніж будь-який інший елемент, тому вода часто згадується як хороший матеріал для захисту від космічної радіації. Поліетилен високої щільності (HDPE), звичайний пластик, містить ще більше водню за масою, ніж вода, і, на відміну від води, є твердим, тому не потрібно турбуватися про витоки.
Проблема з твердим, досить жорстким матеріалом, як HDPE, полягає в тому, що коли він зроблений достатньо товстим для забезпечення хорошого захисту від радіації, це може вплинути на комфорт. Щоб обійти це, команда StemRad розділила його на шестикутні стрижні різної довжини та поперечного перерізу. «Ми розділили екрануючі 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 майже поводиться 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 крізь матерію. Таким чином, команда могла передбачити, як далеко частинка з певною енергією пройде крізь їхнє екранування, перш ніж зупинитися.
Звісно, навіть високоточних розрахунків 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 однакові торси, названі Гельгою та Зохаром, адаптовані з фантомів для дозиметрії радіотерапії, які вже використовуються при плануванні лікування раку. Обидва були виготовлені з матеріалів, еквівалентних тканинам. «Вони були розроблені таким чином, щоб взаємодіяти з радіацією майже так само, як вона взаємодіє з людськими тканинами», — пояснює Хорі. Зохар був щасливчиком, який носив жилет. Хельга не мала жодного індивідуального захисту. Обидва фантоми були оснащені тисячами дозиметрів, які відстежували дозу радіації протягом конкретних фаз польоту, а не лише кумулятивну суму.
Проте більша частина випромінювання, яку зафіксували ці детектори, походила від проходження місії через внутрішній пояс Ван Аллена Землі — регіон високоенергетичних захоплених протонів. Під час польоту «Артеміди I» сонячних бур не було. «Якби ми мали [подію сонячних частинок], 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 створили симуляції Монте-Карло космічного корабля, фантомів та жилета і перевірили їх відповідно до 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 та жовтня 1989 років — і дозволили змодельованим фантомам вільно обертатися, а не сидіти нерухомо, спрямованими вперед, оскільки реальний 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, схожої на 1989 року.
Проміжок між бурями
«Буря 1989 року була набагато енергійнішою — спектр був жорсткішим і зміщений до вищих енергій. Це був сценарій найгіршого випадку. Буря 1972 року була більш типовою великою подією», — пояснює Хорі. Потік частинок сонячних бур зазвичай домінує протонами нижчої енергії, а високоенергетичні зустрічаються експоненційно рідше, тому жилет показав такі результати. «Основна маса цього випромінювання знаходиться в діапазоні нижчих енергій, де його можна екранувати за допомогою розумної кількості матеріалу», — додає Хорі.
Перекладаючи це на планування місій, носіння жилета під час однієї великої бурі могло б продовжити кар’єру астронавта приблизно на 40–193 дні, виміряно відносно 600-мілізівертного граничного довічного ліміту дози NASA. Це порівнянно зі спеціальним притулком від бурі «Оріона» — добре екранованою кабіною, куди астронавти могли б відступити, але з ключовою відмінністю: притулок обмежує рух. Астронавти, що ховаються в притулку, не змогли б рухатися або виконувати операційні завдання. «З жилетом вони б отримали той самий рівень захисту, продовжуючи рухатися по кабіні. Ми розглядаємо це як захист, що доповнює притулок 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 випромінювання сонячних бур, GCR надходять безперервно з набагато вищими енергіями, що ускладнює їх екранування. «Використовувати жилет проти цих променів було б недоцільно», — каже Хорі. «Його довелося б носити весь час».
Проблема в тому, що жилет AstroRad навряд чи буде вдосконалений таким чином, щоб забезпечити більший захист у майбутньому, а захист, який, як ми думаємо, він надає сьогодні, ґрунтується переважно на комп’ютерних моделях.
Місце для зменшення
Невизначеності, вбудовані в комп’ютерні моделі, які команда StemRad використовувала для симуляції ефективності жилета проти сонячних бур, включають спрощене двоматеріальне заміщення 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 є здійсненним.
Але ще більшим обмеженням для цього дизайну, каже команда, є робота з його вагою. У польоті на «Артеміда I» жилет важив 26 кілограмів, що приблизно дорівнює вазі повного комплекту середньовічного латного обладунку. «Буде важко [покращити захист] без додавання маси», — каже Мілштейн. Тому команда хоче піти в протилежному напрямку.
Замість того, щоб домагатися більшого захисту, інженери StemRad у найближчій перспективі 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 значної втрати захисту», — стверджує Мілштейн. Мета, каже він, — легший жилет, який астронавти могли б носити не тільки під час піку бурі, але й протягом кількох днів до і 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