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, достатньо інтенсивних, щоб підвищити ризик раку в астронавта або навіть спричинити променеву хворобу. Атмосфера та магнітне поле Землі поглинають це випромінювання, але екіпажі, які прямують на Місяць чи Марс, не матимуть такого захисту, і жоден космічний корабель, збудований досі, не має достатнього екранування, щоб його зупинити.
Команда під керівництвом Джордана Гурі та Орена Мілштейна зі StemRad, ізраїльсько-американського стартапу, що розробляє індивідуальні засоби захисту 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 захисний жилет від радіації під назвою AstroRad на борту безпілотної місії NASA «Артеміда 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 добре екранований бортовий притулок корабля «Оріон», де екіпаж мав ховатися під час бурі.
Цільове екранування
Конструктори космічних кораблів десятиліттями вивчали варіанти екранування: від алюмінієвих корпусів до стін, заповнених водою, та надпровідних магнітів, які відхиляють заряджені частинки до того, як вони досягнуть екіпажу. Усі вони стикаються з однаковою проблемою. «Питання полягало в тому, як максимально ефективно використовувати масу», — каже Мілштейн. «Маса — це справжній обмежувач, кожен грам має значення».
Захисний одяг, який може носити астронавт, одночасно здається логічним і абсурдним. Абсурдність полягала в тому, що довгий час люди вважали, що захисний одяг повинен виглядати як повна лицарська броня, щоб забезпечити значущий захист. Ймовірно, його потрібно було б виготовляти зі свинцю чи інших високощільних матеріалів, які б додавали масу та робили рух майже неможливим.
Однак інженери StemRad зрозуміли, що одягатися як середньовічний лицар не дає особливої переваги. Людське тіло, пояснює Мілштейн, 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 події, 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 високої дози.
Тому StemRad, співпрацюючи з Lockheed Martin, розширила цю ідею до жіночого жилета, який, крім стегон, також покривав груди, живіт, товсту кишку та репродуктивні органи. Ці частини тіла менш критичні для негайного виживання у разі опромінення, але несуть довгостроковий ризик раку.
«Це все ще дивує людей», — каже Мілштейн. «Всі запитують, а що щодо голови? Але нам вдається 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 створення дизайну, який не перешкоджав би рухам астронавта, був іншим.
Проблема поділу
«Первинним фактором ефективності екрануючого матеріалу є його атомний номер, поділений на атомну масу», — каже Гурі. Водень, який не має нейтронів, має приблизно вдвічі більший показник, ніж будь-який інший елемент, тому вода часто згадується як хороший екрануючий матеріал 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, таким як HDPE, полягає в тому, що коли він стає достатньо товстим, щоб забезпечити хороший захист від радіації, це може вплинути на комфорт. Щоб обійти це, команда StemRad розділила його на шестикутні стержні різної довжини та перерізу. «Ми розділили екрануючі панелі на тисячі шестикутних стержнів HDPE, що покривають площину», — каже Гурі. Ці стержні, 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 Гурі.
Довжина стержнів варіюється від 9 до 60 міліметрів. Інженери розрахували їх 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 зупиниться.
Звісно, обчислень, навіть високоточних, недостатньо. Щоб отримати реальні дані, StemRad відправила свій жилет AstroRad у подорож навколо Місяця.
Гельга та Зохар
Оскільки «Артеміда I» летіла без екіпажу, жилету потрібні були заступники. Місія несла два ідентичні торси, названі Гельга та Зохар, адаптовані з фантомів для дозиметрії, які вже використовуються при плануванні променевої терапії. 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 Гурі. Зохар пощастило носити жилет. Гельга не мала жодного особистого захисту. Обидва фантоми були оснащені тисячами дозиметрів, які відстежували дозу випромінювання в конкретні фази польоту, а не лише сукупну суму.
Більша частина випромінювання, яке зафіксували ці детектори, походила від проходження місії через внутрішній пояс Ван Аллена Землі, регіон високоенергетичних захоплених протонів. Під час польоту «Артеміди I» сонячної бурі не було. «Якби у нас була [сонячна частинкова подія], це був би кінець аналізу — ми б просто використали ці дані», — сказав Гурі. Натомість команда використала перетин поясу як аналог, оскільки його енергії протонів приблизно перекриваються з тими, що присутні під час типової бурі. Вони створили Монте-Карло симуляції космічного корабля, фантомів і жилета та перевірили їх за дозиметрами. Результати моделей для кожного дозиметра відхилялися 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 симульованим фантомам вільно рухатися, а не сидіти нерухомо, спрямовані 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 більш енергетичною — спектр був жорсткішим і зміщеним у бік вищих енергій. Це був радше найгірший сценарій. Буря 1972 року була типовою великою подією», — пояснює Гурі. Потік частинок сонячних бур зазвичай домінує низькоенергетичними протонами, високоенергетичні експоненційно рідкісні, тому жилет працював так, як він працював. «Основна частина цього випромінювання припадає на нижчий діапазон енергій, де його можна екранувати розумною кількістю матеріалу», — додає Гурі.
Якщо перекласти це на планування місій, носіння жилета під час однієї великої бурі могло б продовжити кар’єру астронавта приблизно на 40-193 дні, виходячи з граничного показника NASA в 600 мілізіверт за життя. Це порівнянно зі спеціальним притулком від бурі корабля «Оріон», добре захищеною кабіною, до якої астронавти могли б відступити, але з ключовою відмінністю: притулок є обмежувальним. Астронавти, які ховалися б у притулку, не могли б рухатися або виконувати операційні завдання. «З жилетом вони могли б насолоджуватися таким самим рівнем захисту, продовжуючи рухатися по кабіні. Ми розглядаємо це як захист, що доповнює притулок від бурі», — каже Гурі.
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 Гурі. «Його довелося б носити весь час».
Проблема в тому, що жилет AstroRad, ймовірно, не буде покращений таким чином, щоб запропонувати більше захисту в майбутньому, а захист, який, як ми думаємо, він забезпечує сьогодні, ґрунтується переважно на комп’ютерних моделях.
Місце для зменшення
Невизначеності, закладені в комп’ютерні моделі, які команда StemRad використовувала для симуляції роботи жилета проти сонячних бур, включають спрощене двома матеріалами представництво корпусу «Оріона» та спрощений спектр поясу Ван Аллена, який використовував статистичний прогноз, а не прямий запис випромінювання.
Отримання реальних, а не змодельованих даних про роботу жилета означало б відправити його на борт космічного корабля «Оріон» у глибокий космос і чекати, поки станеться сонячна буря, що навряд чи можливо.
Але ще більшим обмеженням для цієї конструкції, за словами команди, є боротьба з її вагою. У польоті на «Артеміда I» жилет важив 26 кілограмів, що приблизно відповідає повній броні середньовічного лицаря. «Буде важко [покращити захист], не додаючи більше маси», — каже Мілштейн. Тому команда хоче рухатися 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 його вагу з 26 до 16 кілограмів. «Це зменшення було досягнуто без значної втрати захисту», — стверджує Мілштейн. Мета, каже він, — створити легший жилет, який астронавти могли б носити не лише під час піку бурі, а й протягом кількох днів навколо неї.
Дослідження випробування AstroRad під час місії «Артеміда I» опубліковано в Science Advances: http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.adz1892.
За матеріалами: arstechnica.com