Лучшим способом защититься от ионизирующего излучения при полете на Марс оказался далеко не самый очевидный: делать это в пик солнечной активности. К таким выводам пришла международная команда физиков, проанализировавшая различные варианты экранирования космического корабля и возможную радиационную обстановку на пути к Красной планете. Кроме того, удалось определить максимальную безопасную длительность экспедиции.

Научную работу со столь контринтуитивными результатами подготовили специалисты Сколковского института науки и технологий (Россия), Потсдамского центра имени Гельмгольца (Германия), Калифорнийского университета и Массачусетского технологического института (США). Статья опубликована в журнале Space Weather, текст находится в открытом доступе.

Два наиболее опасных потока ионизирующего излучения в межпланетном пространстве — высокоэнергетические частицы, выбрасываемые Солнцем (SEP), и галактические космические лучи (GCR). Причем интенсивность каждого тесно связана с активностью нашей звезды. Чем последняя выше, тем меньше опасного излучения попадает в солнечную систему извне. Это обусловлено давлением выбрасываемого звездой вещества на окружающее пространство, из-за чего вокруг нее формируется своеобразный кокон (гелиосфера).

Эта оболочка эффективно отклоняет или ослабляет высокоэнергетические частицы, источники которых находятся в глубоком космосе — в нашей или других галактиках. Тем не менее во время максимума своей активности Солнце интенсивнее облучает любой объект внутри гелиосферы. Особенно такой близкий, как незащищенный магнитным полем и атмосферой Земли космический корабль на пути к Марсу. И речь, конечно, не только о фотонах видимого или инфракрасного излучения, которые хорошо согревают и вообще можно использовать для генерации электричества. Солнце испускает альфа-частицы, протоны, электроны и даже ионы некоторых химических элементов.

Но, даже несмотря на сравнительно высокую энергию всего этого коктейля из различных частиц, их опасность все равно ниже, чем у галактических космических лучей. GCR обладают гораздо большей энергией и могут навредить сильнее. Так что лететь в межпланетном пространстве во время минимума солнечной активности, когда внешние границы гелиосферы задерживают меньше внешнего излучения, — плохая идея. Следовательно, необходимо установить, какова максимальная безопасная длительность экспедиции к Марсу именно в те периоды, когда Солнце активнее всего.

Сравнение получаемой экипажем дозы в год с разбивкой по типам ионизирующего излучения. Слева — моделирование облучения галактическими космическими лучами в период максимума солнечной активности (по данным 2001 года), справа — тоже самое в период минимума солнечной активности (данные 2010 года). По вертикальной оси годовая доза в сотых зиверта, по горизонтали — поверхностная плотность экранирования космического корабля в граммах на сантиметр квадратный. Голубая линия с кружочками — общая доза по всем типам излучения, оранжевая с треугольниками — собственно галактические космические лучи, остальные — вторичное излучение от обшивки аппарата / © DOI: 10.1029/2021SW002749

Чтобы ответить на этот вопрос, авторы новой научной работы использовали компьютерное моделирование «человекозаменителя» — сферы диаметром 25 сантиметров с алюминиевой оболочкой и водой внутри. Такая простецкая модель давно используется в аналогичных исследованиях и прошла проверку практикой. Что самое главное, она одновременно позволяет оценить сразу несколько параметров радиационной защиты: эффективность экранирования оболочкой аппарата, эффективность «самоэкранирования» человека (насколько хорошо частицы разных энергий замедляются внешними тканями человеческого тела), а также энергетику и глубину проникновения оставшихся незадержанными частиц.

Такой виртуальный «фантом человека» помещали в симуляцию радиационной обстановки в межпланетном пространстве. Для ее формирования применяли данные реальных наблюдений солнечной активности за период с 1997 по 2014 год. В результате оказалось, что минимум ионизирующего излучения проникает на опасную глубину в человеческое тело при поверхностной плотности обшивки корабля около 30 граммов на сантиметр квадратный. Если экранирование наращивать дальше, возникает больше вторичной радиации (в основном нейтронный поток), что в итоге только повышает получаемую космонавтами или астронавтами дозу.

Причем львиная доля проникающего через экранирование излучения даже в период высокой солнечной активности — галактические космические лучи. То есть сравнительно легкая обшивка корабля для путешествия на Марс гарантированно защитит экипаж от опасного облучения. Какие-либо дополнительные меры могут потребоваться только в случае особо сильных солнечных вспышек. Но благодаря сразу нескольким космическим аппаратам, следящим за нашим светилом, такие события можно оперативно отслеживать и предупреждать экспедицию загодя.

Кроме того, симуляция в различных моделях показала, что безопасная продолжительность экспедиции на Марс может достигать 3,8 года. Если учесть, что даже тоненькая атмосфера Красной планеты неплохо защищает от космической радиации, то с высадкой доступны и четырехлетние полеты. Такой вывод учитывает максимальную дозу облучения астронавта за всю карьеру в один зиверт — лимит, установленный космическими агентствами Европы, Канады и России. Американское NASA пока занимается пересмотром аналогичных нормативов в большую сторону, поскольку нынешние (разнятся в зависимости от возраста и пола, но не превышают 0,4 зиверта) не позволяют проводить длительные миссии к другим планетам.

источник