PopularEditorialNew
BestОбсуждаемое

Небезпека космічної радіації

NASA готується повернути астронавтів на поверхню Місяця. І цього разу агентство переслідує значно амбітніші цілі.

Місії, які успішно стартували з запуском Артеміда-1, покликані створити передумови для довготривалого (щонайменше декілька місяців) перебування людей на поверхні Місяця. NASA планує побудувати базові табори, які відкриють унікальні можливості для випробування технологій, дослідження наукових таємниць щодо минулого та сьогодення Місяця, пошуку води та багато чого іншого.

Але перш ніж побудувати таку науково-фантастичну місячну базу, астронавти мають виконати низку завдань на поверхні Місяця, зокрема дослідити місцевість, звести споруди та видобути корисні копалини. Під час виконання всіх цих завдань і проміжних робіт космічна радіація становитиме загрозу для астронавтів.

Між 1968 і 1972 роками місії Аполлон відправили дюжину астронавтів на Місяць і назад. Але всі ці місії не були тривалими — найдовша склала лише близько 12 днів. Представники людства вже побували на Місяці раніше, але вплив космічної радіації досі маловідомий, а розуміння її впливу на людський організм тепер стає вирішальним для довготривалих місій.

Шквал потужних частинок

Магнітне поле та атмосфера Землі захищають її від небезпечної радіації та оберігають життя на планеті. Натомість інші світи, до яких так прагне людство, видаються неймовірно ворожими у порівнянні з нашою блакитною планетою. Навіть година без належного захисту там може бути фатальною, адже заряджені частинки постійно будуть проникати крізь шкіру людини. Така ситуація залишає мало перспектив для майбутніх досліджень.

Місяць. Знімок від 6 січня 2023 року. Фото: Kevin Gill

Навіть наш Місяць – небезпечне, пустельне місце, позбавлене атмосфери й не захищене від постійного радіаційного бомбардування, джерелом якого є наше Сонце. Окрім Сонця, на астронавтів на Місяці чекають й інші джерела радіації.

Насамперед це галактичні космічні промені (ГКП), які випромінюють зірки, що вибухають у глибокому космосі (зазвичай. наднові зорі та надмасивні чорні діри). А також частинки, що утворюються в місячному ґрунті внаслідок взаємодії між енергетичними частинками Сонця та галактичними космічними променями. Сонячні частинки мають меншу енергію, ніж галактичні космічні промені, «але коли стаються періоди бомбардування сонячними частинками, то їхній потік зазвичай набагато інтенсивніший, ніж потік галактичних космічних променів», — пояснює Роберт Ф. Віммер-Швайнгрубе з Університету Кіля в Німеччині.

В історії космічних польотів людини серпень 1972 року став незабутньою датою. Серія інтенсивних сонячних спалахів відбулася з тижневою перервою. Сонячний спалах — це виплеск заряджених частинок з бурхливої поверхні нашої зірки. Розрізняють п’ять класів: A, B, C, M і X, які варіюються за розміром від найменшого до найнебезпечнішого. Потужний сонячний шторм 1972 року, який був спалахом класу X, походив з сонячної плями під назвою MR 11976.

Екіпаж Аполлона-16 повернувся на Землю у квітні, а останній політ Аполлона-17 планували здійснити в грудні. Потенційної катастрофи вдалося уникнути. Астронавти, які ступили б у час спалаху на поверхню Місяця, могли б загинути від радіації, а сила бурі відчувалася і на Землі, тоді вона порушила роботу енергетичних і комунікаційних мереж у кількох частинах Північної Америки.

Небезпечний переліт

Космічна радіація становить загрозу не лише на поверхні небесних тіл, але й на шляху до них. Землю оточують небезпечні радіаційні кільця — Пояси Ван Аллена, що становлять собою скупчення високозаряджених частинок, захоплених магнітними полями планети. Щодовше ви пролітаєте крізь ці пояси, тим більший ризик отримати променеву хворобу.

Всього таких радіаційних кілець два. Перше починається на висоті 600 км і простягається до 6 000 км. Друге смертельне кільце простягається між 10 000 і 65 000 кілометрів від Землі. Інтенсивність випромінювання в останньому кільці лише посилюється під час сонячних штормів. На щастя, МКС залишається неушкодженою і захищеною на низькій навколоземній орбіті на висоті 370 кілометрів, але хоча місячні кораблі спроєктовані таким чином, аби захистити екіпаж, потік смертоносних частинок все одно може потрапити всередину.

Схематичне представлення поясів Ван Аллена. Зображення: Wikimedia Commons

Як же попередні місії Аполлона долали цю складну ділянку? Швидко. Місії Аполлона слідували вузькою траєкторією, аби оминути найбільш радіоактивні частини поясів, і рухалися на високій швидкості. Вчені визначили, що оптимальна швидкість польоту космічного корабля з екіпажем для подолання поясів становить приблизно 25 000 км/год із загальною тривалістю польоту 68,1 хвилини.

Радіоактивна закваска

У цю нову космічну еру острах перед радіацією все ще залишається. Тому потрібні нові рішення. Місія Артеміда-1 рушила не пустою, а з манекенами та іншими біологічними експериментами, щоб вивчити вплив радіації.

Клітини дріжджів, які брали участь у місії, не особливого вибагливі щодо таких факторів, як вода, температура чи поживні речовини. Дріжджі стали прототипом організмів задля дослідження пошкодження ДНК, і їхню реакцію на опромінення добре вивчено. Пекарські дріжджі (Saccharomyces cerevisiae) є майже ідеальним аналогом людських генів. Цей одноклітинний мікроорганізм дозволяє нам дізнатися, як живі організми справляються з небезпечним космічним випромінюванням.

Експеримент спрямований на розв’язання складних питань, пов’язаних з космічною радіацією. Як заряджені частинки впливають на ДНК, клітини й тканини людини? Який ступінь пошкодження ДНК? Які гени виявилися стійкими до радіації?

Пітер Гіда, біолог з NASA, пояснює у своєму пресрелізі: «Основи ДНК (аденін, гуанін, цитозин і тимін) також можна зруйнувати. Клітина намагатиметься відновити ці пошкодження. Іноді ефективно, іноді ні, а іноді відновлення може бути хибним. Гени, які були неправильно виправлені, можуть мутувати, і накопичення цих мутацій з часом може потенційно призвести до раку».

Установка для експерименту з дріжджами, проведеного в рамках місії «Артеміда-1». Фото: Corey Nislow | CBC

Щоб вивчити таке накопичення мутацій, колонії клітин дріжджів зі штрих-кодами здійснили подорож до Місяця і назад. Передбачалося, що дріжджові клітини будуть рости і ділитися протягом всієї місії після того, як зразки будуть запущені в космос і дистанційно активовані шляхом додавання води.

Після повернення Оріона на Землю вчені з Університету Британської Колумбії отримали зразки для проведення лабораторних досліджень. Після того, як гени будуть ідентифіковані, вчені зможуть використати цю інформацію для створення ліків або методів лікування, які дозволять витримувати радіаційні удари й зменшують ймовірність несприятливих наслідків для здоров’я.

Тим часом в рамках іншого біологічного експерименту в далекому космосі на орбіту навколо Сонця відправлять ще більше зразків дріжджів, які пробудуть на ній від шістьох до дев’ятьох місяців. BioSentinel — кубсат розміром із взуттєву коробку, який також вирушив на Artemis-1. У цьому експерименті мають випробувати новий біосенсор, який вивчить, як живі дріжджові клітини реагують і адаптуються до тривалого опромінення. Вчені будуть стежити за перебігом експерименту в режимі реального часу через мережу далекого космічного зв’язку NASA.

Коли багато — це занадто багато?

Шторм 1972 року іноді використовують як точку відліку, щоб оцінити, а що було б, якби астронавтів відправляли на Місяць. Вони, як мінімум, отримали б променеву хворобу, якщо б зазнали впливу таких смертельних доз радіації.

За даними NASA, стандартна доза опромінення для людини на Землі становить близько 0,0036 Зв/рік (0,36 рад). Астронавти Аполлона в середньому отримали дозу опромінення шкіри в 0,38 рад, що еквівалентно двом комп’ютерним томографіям голови. Але, наприклад, екіпаж Аполлон-14 отримав дозу опромінення шкіри в 1,14 рад, що стало найвищим показником. І все це під час місій тривалістю не більше 12 діб.

Щоденна доза опромінення на поверхні Місяця може бути значно вищою під час тривалішої місії, і її неможливо розрахувати з Землі. Щоб з’ясувати, наскільки високою вона буде, на Місяць відправився нейтронно-дозиметричний зонд Lunar Lander (LND), встановлений на борту китайського місячного апарату Chang’E 4. LND здійснив перші в історії вимірювання рівня радіації на Місяці.

Китайський місячний посадковий модуль «Чан’е-4». Фото: CNSA | CLEP

Згідно з оцінками, астронавти в скафандрі щогодини зазнавали б впливу близько 60 мікрозівертів радіації. Отже, рівень радіації може бути у 150 разів вищим, ніж на Землі.

Чи замислювалися ви коли-небудь про припустиму межу впливу космічної радіації на людину? «Насправді ми її не знаємо», — каже співавтор дослідження LND, доктор Віммер. «У нас ще немає досвіду активної взаємодії з радіацією далекого космосу, існують різні форми впливу радіації на наш організм і різні частини тіла».

Тіло жінки більш вразливе

Без будь-якого захисту астронавти мають більший ризик мати як гострі, так і хронічні проблеми зі здоров’ям, зокрема мова йде про катаракту та серцево-судинні захворювання. Крім того, вони можуть страждати від короткочасної променевої хвороби, а в довгостроковій перспективі з’являється ризик розвитку раку.

Залежно від віку та статі людини, NASA оцінило межі опромінення, які дозволено отримати протягом кар’єри. Імовірно, астронавти, які почали отримувати опромінення  на початку кар’єри матимуть вищі ризики для здоров’я в пізніші роки. Дослідження припускають, що жінки можуть бути більш вразливими до радіації.

«Жінки мають набагато вищий ризик захворіти на рак від впливу радіації, а особливо додаткові ризики виникнення раку молочної залози (один з найвищих), раку яєчників та матки. Для чоловіків з’являється ризик раку передміхурової залози від радіаційного опромінення, однак показник смертності від нього низький», — зазначив професор Френсіс Кучінотта, експерт з радіаційної біології з Університету Невади в Лас-Вегасі, в електронному листі, надісланому Supercluster.

Саме тому NASA вперше проводить експеримент, щоб зрозуміти вплив радіації на жіночий організм. Оскільки NASA працює над тим, щоб відправити жінку-астронавта в космос, неможливо недооцінити важливість подібних експериментів.

Манекени Артеміди-1 — Зохра і Хельга — спеціально розроблені для вимірювання і визначення впливу радіації на внутрішні органи. Пошкодження внутрішніх органів залежить від поглиненої енергії, щільності частинок і часу, проведеного поза захисними спорудами.

Манекени Зохра і Хельга на борту космічного корабля Orion. Фото: NASA | LM | DLR

На цих манекенах розмістили  34 детектори та понад 5 000 датчиків для вимірювання показників радіації під час польоту Оріона. Манекени, виготовлені з епоксидних смол, імітують кістки, м’які тканини та органи дорослої жінки.

Один з манекенів був одягнений в AstroRad — інноваційний протирадіаційний жилет. Основне призначення жилета — захистити чутливі органи від впливу сонячних частинок. Завдяки цьому випробувальному польоту вчені дізнаються більше про ефективність жилета, а також про те, як він захищає внутрішні органи, порівнюючи два об’єкти. Експеримент отримав назву Matroshka AstroRad Radiation Experiment (MARE). Датчики радіації, вбудовані в Оріон, контролювали рівень радіації протягом усього польоту, особливо в тих місцях, де він мав бути найвищим.

Очікується, що результати цього експерименту опублікують найближчим часом.

Захист на Місяці

Оріон в місіях Артеміда спроєктований з урахуванням багатьох аспектів, аби якнайкраще захистити як людей, так і у найгіршому випадку обладнання. Для побудови тимчасового радіаційного укриття всередині космічного корабля можна використати спеціальний мішок або інший матеріал, знайдений на борту.

За оцінками NASA, екіпажу, можливо, доведеться залишатися в цьому сховищі щонайменше добу. Однак, екстремальна космічна погода не завадить екіпажу виконувати «критично важливі завдання місії» завдяки захисним радіаційним жилетам.

У періоди сильної сонячної активності астронавти теоретично можуть побудувати екрановане сховище, використовуючи ресурси на місці, наприклад, місячний ґрунт, пил і каміння. Приміром, стіни завтовшки близько одного метра можна побудувати за допомогою 3D-друку з будівельних блоків із місячного пилу (реголіту).

Компанія ICON вивчатиме методи будівництва майбутніх місячних поселень у рамках контракту від NASA. Тут представлено бачення художником будівництва на поверхні супутника Землі. Зображення: ICON | BIG-Bjarke Ingels Group

«Інший спосіб побудувати захищене середовище проживання — це просто «накидати пил» на міцну конструкцію, яка може витримати його вагу», — переконаний доктор Віммер. Крім того, було б корисно прогнозувати космічну погоду і видавати завчасні попередження про шторми, якщо подорож в космосі триватиме довше місяця.

Першу місію Артеміди можна вважати початковим успіхом, оскільки ми чекаємо на публікацію результатів різних експериментів щодо питань радіаційного захисту. Якщо з наступними місіями Артеміди все піде добре, NASA незабаром почне готуватися до наступного радіаційного виклику людства: Марсу.

Оригінал

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

15
Войдите, чтобы видеть комментарии, участвовать в обсуждении и не видеть рекламу.
Показать скрытые комментарии

Загружаем комментарии...

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

Отправить Отмена
[X]
Зарегистрируйтесь на сайте, чтобы не видеть рекламу, создавать и отслеживать темы, сохранять статьи в личные закладки и участвовать в обсуждениях
If you were unable to log in, try this link.