Запланированные лунные миссии, начиная с уже успешно завершившейся «Артемиды-1», создадут основу для многомесячного проживания людей на поверхности нашего спутника. Будущие базы предоставят уникальные возможности для тестирования технологий, разгадывания научных секретов о прошлом и настоящем Луны, поиска воды и многого другого.

Но прежде чем наша научно-фантастическая лунная база станет реальностью, астронавты должны будут выполнить множество задач на лунной поверхности, включая исследование местности, строительство и добычу ресурсов. При этом, все они будут подвергаться угрозе воздействия космической радиации.

В промежутке между 1968 и 1972 годами дюжина астронавтов добралась до Луны и вернулась обратно в рамках миссий «Аполлон». Но все они были краткосрочными — самая продолжительная длилась всего около 12 дней. Несмотря на то, что мы уже достигли нашего спутника много десятилетий назад, последствия космической радиации до сих пор малоизучены, а понимание её воздействия на организм человека жизненно важно для многомесячных миссий.

Бомбардировка мощными частицами

Магнитное поле и атмосфера Земли защищают её от опасного излучения и сохраняют жизнь на планете. По сравнению с этим внешние миры, на которые нацелилось человечество, невероятно враждебны. Даже один час без надлежащей защиты может быть смертельным, так как заряженные частицы постоянно пролетают сквозь кожу человека. Это рисует довольно мрачную картину будущих исследований.

Даже Луна — это опасное пустынное место, лишённое атмосферы и не защищённое от постоянного радиационного излучения, испускаемого Солнцем. Однако помимо него, астронавты подвергаются воздействию и других источников излучения на поверхности нашего спутника.

Прежде всего следует рассмотреть галактические космические лучи, испускаемые взрывающимися звёздами в глубоком космосе. А есть ещё и частицы, сформировавшиеся в лунном грунте в результате взаимодействия солнечных энергетических частиц и галактических космических лучей. «Солнечные частицы менее энергичны, чем галактические космические лучи, но когда происходит их выброс, формируемый ими поток может оказаться намного мощнее, чем поток галактических космических лучей», — сказал Роберт Ф. Виммер-Швайнгрубе из Кильского университета в Германии.

Опасная «прогулка»

Космическая радиация представляет опасность не только на поверхности Луны, но и на пути туда и обратно. Вокруг Земли существуют опасные радиационные зоны, пояса Ван Аллена, состоящие из сильно заряженных частиц, захваченных магнитными полями планеты. Чем больше времени вы проведёте в этих поясах, тем выше риск радиационного отравления.

Есть два радиационных пояса. Первый начинается на высоте 600 км и простирается до 6000 км. Вторая смертельная область располагается на высоте от 10 000 до 65 000 километров над Землёй. Интенсивность последней усиливается вместе с солнечными бурями. К счастью, космическая станция остаётся нетронутой и защищённой на низкой околоземной орбите на высоте 408 километров. Однако, хотя наши лунные космические корабли имеют защиту для экипажа, поток смертоносных частиц все ещё может просачиваться внутрь.

Так как же ранним миссиям «Аполлон» удавалось перемещаться по этим сложным зонам? Всё дело в скорости. Прошлые миссии «Аполлон» следовали по узкой траектории, чтобы избежать наиболее радиоактивной части поясов, и пролетали их очень быстро. Учёные определили оптимальную скорость для космического корабля с экипажем примерно в 25 000 км/ч с общим периодом пролёта этих зон в 68,1 минуты.

Радиоактивные пекарские дрожжи

В новую космическую эру страх перед радиацией всё ещё не исчез. И нам нужны новые решения. В рамках миссии «Артемида-1» на борт космического корабля были погружены манекены и другие биологические эксперименты для изучения воздействия радиационного излучения.

Клетки дрожжей требуют минимального ухода в ходе миссии. Такие факторы, как вода, температура или питательные вещества для них весьма малозначимы. Эти клетки представляют собой смоделированный организм для исследования повреждения ДНК, и их реакция хорошо изучена. Почти идеальным аналогом генов человека являются пекарские дрожжи (Saccharomyces cerevisiae). Этот одноклеточный микроорганизм может дать информацию о том, как живые тела справляются с опасной космической радиацией.

Этот эксперимент пытается пролить свет на сложные загадки, связанные с космической радиацией. Какое влияние заряженные частицы оказывают на ДНК, клетки и ткани человека? Какая степень повреждения ДНК существует? Какие гены были устойчивы к радиации?

Как объясняет Питер Гуида, биолог из NASA, основания ДНК (аденин, гуанин, цитозин и тимин) также могут быть нокаутированы. Клетка предпримет попытку восстановить эти повреждения. Иногда это эффективно, иногда нет, а иногда они могут быть исправлены неправильно. Гены, которые были неправильно восстановлены, могут мутировать, и накопление таких мутаций с течением времени потенциально может привести к раку.

Чтобы изучить это накопление радиации, коллекция промаркированных дрожжевых клеток отправилась к Луне и обратно. Предполагается, что они смогут расти и делиться на протяжении всей миссии после того, как образцы будут запущены в космос и удалённо активированы добавлением воды.

После возвращения корабля Orion на Землю учёные из Университета Британской Колумбии получат образцы для проведения лабораторных исследований. Как только гены будут идентифицированы, они смогут использовать эту информацию для разработки лекарств или методов лечения, которые помогут выдерживать радиационное воздействие и снижать вероятность неблагоприятных последствий для здоровья.

Между тем, ещё одна миссия, задачей которой станет изучение биологии в дальнем космосе, доставит больше образцов дрожжей на орбиту вокруг Солнца примерно через шесть-девять месяцев. Речь идёт про BioSentinel — кубсат, размером с обувную коробку, — который был запущен в рамках «Артемиды-1». В эксперименте используется новый биосенсор для изучения того, как живые дрожжевые клетки реагируют и адаптируются к длительному воздействию радиации. Учёные будут отслеживать эксперимент в режиме реального времени с помощью Сети дальней космической связи NASA.

Как узнать, что это слишком много?

Солнечная буря 1972 года иногда используется как отправная точка для осмысления возможных последствий отправки астронавтов на Луну. Они, как минимум, заработали бы лучевую болезнь, если бы подверглись воздействию этих смертельных доз радиации.

По данным NASA, стандартная доза облучения человека на Земле составляет около 0,0036 Зв/год (0,36 рад). Астронавты «Аполлона» получили среднюю дозу облучения кожи 0,38 рад, что эквивалентно двум компьютерным томограммам головы. В целом максимальная доза облучения кожи участников «Аполлона-14» составила 1,14 рад. Всё это в рамках миссий продолжительностью не более 12 дней.

В ходе более длительной миссии суточная доза радиации на поверхности Луны может быть значительно выше – и её невозможно количественно определить с Земли. Для получения нужных данных учёные установили на борт китайского посадочного модуля «Чанъэ-4» прибор Lunar Lander Neutron and Dosimetry (LND). Он впервые в истории измерил уровень радиации на Луне.

По предварительным оценкам, астронавты в скафандрах будут подвергаться примерно 60 микрозивертам радиации каждый час. В целом уровень облучения может быть в 150 раз выше, чем на Земле.

Задумывались ли вы когда-нибудь о допустимом пределе воздействия космической радиации на человека?

«На самом деле мы этого не знаем, — говорит соавтор исследования LND доктор Виммер. — У нас ещё нет опыта работы с радиацией дальнего космоса, более того, существуют разные способы воздействия радиации на наше тело и разные его части».

Женское тело более уязвимо

Без какой-либо защиты у астронавтов чаще возникают как острые, так и хронические проблемы со здоровьем, такие как катаракта и болезни сердца. Кроме того, они могут страдать от кратковременной лучевой болезни и увеличения риска развития рака в долгосрочной перспективе.

Основываясь на возрасте и поле человека, NASA оценило допустимые пределы радиационного воздействия в течение карьеры астронавта. Предположительно, астронавты в её начале могут подвергаться более высокому риску для здоровья из-за радиационного облучения, чем в более поздние годы. Также исследования показали, что женщины могут быть более уязвимы к радиации.

«Женщины имеют гораздо более высокий риск рака от радиации из-за дополнительных рисков рака молочной железы (один из самых высоких), рака яичников и матки. У мужчин риск рака предстательной железы повышается из-за радиационного облучения, однако вероятность летального исхода довольно низкая», — написал профессор Фрэнсис Кучинотта, эксперт в области радиационной биологии из Университета Невады в Лас-Вегас.

Вот почему NASA впервые провело эксперимент, чтобы понять влияние радиации на женский организм. Он имеет решающее значение, поскольку агентство работает над отправкой женщины-астронавта на Луну.

Манекены для «Артемиды-1», Зохра и Хельга, были разработаны для измерения и проверки воздействия радиации на внутренние органы. Повреждение внутренних органов зависит от поглощённой энергии, плотности частиц и времени, проведённого вне защитной среды обитания.

На них было размещено 34 детектора и более 5000 датчиков для измерения уровня радиации во время полёта корабля Orion. Манекены, изготовленные из эпоксидной смолы, копируют кости, мягкие ткани и органы взрослой женщины.

На Зохре был новенький радиационный жилет AstroRad. Основная его цель — защитить чувствительные органы от солнечных частиц. В ходе этого испытательного полёта учёные узнают больше об эффективности жилета, а также о том, как он защищает внутренние органы, сравнивая данные, собранные двумя соответствующими манекенами. Эксперимент известен как Matroshka AstroRad Radiation Experiment (MARE). Датчики радиации, встроенные в Orion, контролировали уровни соответствующего излучения на протяжении всего полета, особенно в тех местах, где они самые высокие.

Ожидается, что результаты этого эксперимента будут опубликованы в ближайшее время.

Лунная защита

Orion был разработан для защиты как людей, так и оборудования при наихудшем развитии событий. Вещевой мешок или другой материал, найденный на борту, может быть использован для создания временного укрытия от радиации внутри космического корабля.

Согласно NASA, экипажу, возможно, придётся остаться в этом убежище как минимум на день. При этом, экстремальная космическая погода не помешала бы астронавтам выполнять «критические задачи» благодаря противорадиационным жилетам.

В периоды сильной солнечной активности астронавты потенциально могут построить защищённую среду обитания, используя местные ресурсы, такие как лунный грунт и камни. Например, стены толщиной около одного метра могут быть возведены с помощью строительных блоков из лунной пыли (реголита), напечатанных на 3D-принтере.

«Ещё один способ построить защищённую среду обитания — просто “насыпать грунт” на прочную конструкцию, способную выдержать его вес», — предлагает доктор Виммер. Кроме того, было бы полезно прогнозировать космическую погоду и делать ранние штормовые предупреждения в случае пребывания на Луне дольше месяца.

Первая миссия программы «Артемида» завершилась вполне успешно, и мы уже ждём опубликованных результатов различных экспериментов. Если со следующими пилотируемым миссиями дела пойдут хорошо, NASA вскоре начнёт готовиться к следующему радиационному вызову человечества: Марсу.

Источник