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 може підвищити ризик раку в астронавта або навіть спричинити променеву хворобу. Атмосфера та магнітне поле Землі поглинають цей радіаційний фон, але екіпажі, що прямують до Місяця чи Марса, не матимуть такого захисту, а жоден космічний корабель, збудований досі, не має достатнього екранування, щоб його зупинити.
Команда під керівництвом Йордана Гурі та Орена Мілштейна зі StemRad, ізраїльсько-американського стартапу, що розробляє індивідуальне захисне спорядження від радіації, запропонувала розв’язати цю проблему, екрануючи астронавтів, а не космічний корабель.
Щоб перевірити цю ідею, команда StemRad відправила портативний 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 ефективно, як і добре захищене бортове укриття корабля “Оріон”, де екіпаж мав би сховатися, щоб перечекати бурю.
Цільове екранування
Протягом десятиліть проєктувальники космічних кораблів розглядали варіанти екранування: від алюмінієвих корпусів до стін, заповнених водою, і надпровідних магнітів, які відхиляли б заряджені частинки до досягнення екіпажу. Усі вони стикалися з однією проблемою. “Питання полягало в тому, як максимально ефективно використовувати масу”, – каже Мілштейн. “Маса – це справжній вузьке місце, кожен грам має значення”.
Захисний одяг, який астронавт міг би носити, є водночас логічним і дещо абсурдним. Абсурдність полягала в тому, що тривалий час вважалося, ніби захисний одяг має виглядати як повна лицарська броня, щоб забезпечити значущий захист. Ймовірно, він мав би бути виготовлений зі свинцю або інших високощільних матеріалів, що додало б масу та зробило б рух майже неможливим.
Однак інженери StemRad дійшли висновку, що одягання як середньовічного лицаря не дає значної переваги. Людське тіло, пояснює Мілштейн, не є однаково вразливим до радіації. “Тканини, такі як кістковий мозок, значно чутливіші до радіації порівняно з мозком”. Спираючись на цю ідею, StemRad розробила ремінь для перших реагуючих на ядерні інциденти, який носиться на стегнах і містить приблизно половину кісткового мозку тіла, тканини, яка виробляє клітини крові. Захист навіть невеликої частини кісткового мозку дозволяє людині відновити його та пережити вплив високої дози.
Тому StemRad, співпрацюючи з Lockheed Martin, розширила цю концепцію, створивши жилет для жінок, який, крім стегон, покривав також груди, живіт, товсту кишку та репродуктивні органи. Ці частини тіла менш критичні для негайного виживання 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 створення дизайну, який не обмежував би рухи астронавта, був іншою.
Проблема ділення
“Первинним фактором ефективності екрануючого матеріалу є його атомний номер, поділений на атомну масу”, – каже Гурі. Водень, який не має нейтронів, має приблизно вдвічі вище співвідношення, ніж будь-який інший елемент, саме тому вода часто згадується як хороший космічний щит від радіації. Поліетилен високої щільності (HDPE), звичайний пластик, містить ще більше водню за масою, ніж вода, і, на відміну від води, є твердим, тому немає потреби турбуватися про витоки.
Проблема з твердим, досить жорстким матеріалом, таким як HDPE, полягає в тому, що при достатній товщині для забезпечення хорошого захисту від радіації він може знижувати комфорт. Щоб обійти це, команда StemRad розділила його на шестикутні стрижні різної довжини та поперечного перерізу. “Ми розділили панелі екранування на тисячі шестикутних, мозаїчних стрижнів з HDPE”, – каже Гурі. Ці стрижні, розташовані між двома шарами еластичної тканини, зробили жилет надзвичайно гнучким і плинним. “Він майже поводиться так само, як вода, залишаючись при цьому твердим”, – стверджує Гурі.
Довжина стрижнів варіюється від 9 до 60 міліметрів. Інженери розрахували їхню довжину за формулою Бете-Блоха, яка описує, як заряджені частинки втрачають енергію під час руху через речовину. Таким чином, команда могла передбачити, як далеко частинка з певною енергією пройде крізь їхнє екранування, перш ніж зупиниться.
Звісно, розрахунків, навіть дуже точних, недостатньо. Щоб отримати достовірні дані, StemRad відправила свій жилет AstroRad у подорож навколо Місяця.
Гельга та Зохар
Оскільки “Артеміда I” летіла без екіпажу, жилет потребував замінників. Місія мала два ідентичних торси, названих Гельга та Зохар, адаптованих з фантомів для дозиметрії при променевій терапії, які вже використовуються при плануванні лікування раку. Обидва були виготовлені з тканин, що імітують людські. “Вони були розроблені так, щоб взаємодіяти з радіацією практично так само, як вона взаємодіє з людськими тканинами”, – пояснює Гурі. Зохар був щасливим одержувачем жилета. Гельга не мала жодного особистого захисту. Обидва фантоми були оснащені тисячами дозиметрів, які відстежували дозу радіації протягом конкретних фаз польоту, а не лише загальну накопичену дозу.
Більшість радіації, зареєстрованої цими детекторами, походила з проходження місії через внутрішній радіаційний пояс Ван Аллена Землі, регіон високоенергетичних захоплених протонів. Під час польоту “Артеміди I” сонячної бурі не було. “Якби [сонячна частинкова подія] сталася, це був би кінець аналізу – ми могли б просто використати ці дані”, – сказав Гурі. Натомість команда використала перетин поясу як аналог, оскільки його енергії протонів приблизно збігаються з тими, що присутні під час типової бурі. Вони побудували симуляції Монте-Карло космічного корабля, фантомів та жилета і перевірили їх відповідно до дозиметрів. Результати моделей, для кожного дозиметра, відповідали фактичним виміряним даним з точністю до п’яти відсотків.
Після встановлення такої впевненості вони замінили спектр радіації поясу на спектри двох історичних сонячних бур, з серпня 1972 та жовтня 1989 років, і дозволили імітованим фантомам вільно обертатися, а не сидіти нерухомо, спрямованими вперед, оскільки реальний астронавт не залишався б сидіти протягом усієї події. Жилет зменшив ефективну дозу радіації 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 енергійнішою – спектр був жорсткішим і зміщеним у бік вищих енергій. Це був, скоріше, найгірший сценарій. Буря 1972 року була типовою великою подією”, – пояснює Гурі. Потік частинок сонячної бурі зазвичай домінує протонами нижчої енергії, а високоенергетичні значно рідкісніші, тому жилет спрацював саме так. “Основна частина цієї радіації припадає на діапазон нижчих енергій, де її можна екранувати розумною кількістю матеріалу”, – додає Гурі.
Перекладене на планування місії, носіння жилета під час однієї великої бурі могло б продовжити кар’єру астронавта приблизно на 40-193 дні, виходячи з 600-мілізівертного обмеження дози NASA за все життя. Це порівнянно зі спеціальним укриттям від бурі корабля “Оріон”, добре захищеною каютою, до якої астронавти могли б відступити, але з ключовою відмінністю: укриття є обмежувальним. Астронавти, що ховалися в укритті, не змогли б рухатися 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 укриття від бурі”, – каже Гурі.
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 ускладнює їх екранування. “Використовувати жилет проти цих променів було б недоцільно”, – каже Гурі. “Його довелося б носити весь час”.
Проблема в тому, що жилет AstroRad навряд чи буде вдосконалюватися таким чином, щоб забезпечити більший захист у майбутньому, а захист, який, як ми думаємо, він надає сьогодні, ґрунтується головним чином 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 заміну корпусу Orion та спрощений спектр поясу Ван Аллена, що використовував статистичний прогноз, а не прямий запис радіації.
Отримання реальних, а не симульованих даних про ефективність жилета означало б відправлення його на борту космічного корабля Orion у глибокий космос і очікування сонячної бурі, що навряд чи здійсненно.
Але ще більшим обмеженням для цієї конструкції, за словами команди, є робота з його вагою. Як під час польоту на “Артеміда I”, жилет важив 26 кілограмів, що приблизно дорівнює повній латній броні середньовічного воїна. “Буде важко [покращити захист], не додаючи більше маси”, – каже Мілштейн. Тому команда хоче рухатися в протилежному напрямку.
Замість того, щоб домагатися більшого захисту, найближча мета інженерів StemRad – зберегти те, що жилет вже робить, одночасно зменшуючи його вагу. Використовуючи дані “Артеміди I”, їм вже вдалося зменшити вагу з 26 до 16 кілограмів. “Це скорочення було досягнуто без втрати значної частини захисту”, – стверджує Мілштейн. Мета, каже він, – легший жилет, який астронавти могли б носити не тільки під час піку бурі, але й протягом днів навколо неї.
Дослідження про тест AstroRad під час місії “Артеміда I” опубліковано в Science Advances: http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.adz1892.
Подробиці можна знайти на сайті: arstechnica.com