- 29,130
- 46
- 8 Ноя 2022
Солнечная буря 1972 года могла убить Apollo. Спустя 50 лет инженеры нашли защиту — и она сделана из полиэтилена.
<div class="articl-text-cover" style="position:relative;width:100%;max-width:800px;margin-left:auto;margin-right:auto;aspect-ratio:1200/676;margin-bottom:2rem;overflow:hidden">
<div itemprop="articleBody">Солнечная буря может за несколько часов превратить обычный полёт к Луне в радиационно опасную ситуацию. Солнце выбрасывает потоки протонов, способные увеличить риск рака, а при достаточно высокой дозе вызвать острую лучевую болезнь. На Земле значительную часть излучения задерживают атмосфера и магнитное поле. На пути к Луне или Марсу такой защиты уже нет, поэтому инженерам приходится искать способ оградить экипаж от внезапных всплесков радиации. NASA рассматривает солнечные протонные события как одну из угроз для пилотируемых лунных миссий.
Самое очевидное решение — окружить людей толстым защитным слоем — плохо подходит для космического корабля. Инженеры десятилетиями изучают алюминиевые корпуса, заполненные водой стенки и системы с магнитным полем, которое отклоняло бы заряженные частицы. Любой пассивный экран добавляет массу, а каждый дополнительный килограмм приходится выводить с Земли вместе с экипажем, топливом, оборудованием и запасами.
Разработчики AstroRad пошли другим путём: вместо всего корабля можно закрыть материалом наиболее уязвимые участки человеческого тела. Радиационный жилет отправили вокруг Луны на беспилотной миссии Artemis I в 2022 году. Полёт продолжался почти 26 суток, а корабль Orion вернулся на Землю 11 декабря.
Полностью закрывать человека тяжёлыми пластинами не потребовалось. Разные ткани организма по-разному реагируют на ионизирующее излучение. Особенно чувствителен костный мозг, который производит клетки крови. Большая его часть сосредоточена в костях таза, поэтому защита этой области помогает сохранить достаточно жизнеспособной ткани для последующего восстановления кроветворения.
AstroRad закрывает таз, грудь, желудок, толстую кишку и репродуктивные органы. Распределение материала учитывает как риск тяжёлых последствий при большой дозе, так и вероятность развития рака спустя годы. Голова, руки и ноги остаются практически открытыми. Расчёты для некоторых солнечных бурь при такой схеме дают снижение эффективной дозы примерно на 60%.
Главным материалом выбрали полиэтилен высокой плотности. Для защиты от протонов особенно полезны вещества с большим содержанием водорода. Ядро атома водорода состоит из одного протона, поэтому столкновение летящей частицы с ним позволяет эффективно отнимать у частицы энергию. По той же причине в проектах космической радиационной защиты часто рассматривают воду.
Полиэтилен содержит много водорода и при этом остаётся твёрдым, поэтому жилету не нужны резервуары с жидкостью и защита от протечек. Возникает другая проблема: толстая пластина из полиэтилена плохо гнётся и мешает двигаться.
Инженеры разделили защитные панели на тысячи небольших шестигранных стержней и заключили их между слоями эластичной ткани. Отдельные элементы могут перемещаться относительно соседних, поэтому жилет сгибается вместе с телом. Длина стержней варьируется от девяти до 60 миллиметров.
Размеры рассчитывали с помощью формулы Бете-Блоха, которая описывает потерю энергии заряженной частицы при движении через вещество. Зная энергию протона и свойства полиэтилена, можно оценить глубину его проникновения и подобрать необходимую толщину материала. Поэтому защитный слой AstroRad состоит из элементов разного размера, а не из одинаковой сплошной плиты.
Испытать жилет на человеке во время Artemis I было невозможно: первый полёт корабля Orion вокруг Луны проходил без экипажа. Вместо астронавтов на борту находились два манекена женского тела по имени Хельга и Зоар. Их изготовили из материалов, которые воспроизводят взаимодействие человеческих тканей с ионизирующим излучением. Зоар надели в AstroRad, Хельгу оставили без жилета. ESA указывает, что внутри двух манекенов разместили более 12 тысяч датчиков радиации, распределённых по областям, соответствующим различным органам и тканям.
Дозиметры фиксировали облучение на разных этапах полёта, поэтому исследователи получили не одну итоговую цифру за всю миссию, а подробную картину распределения дозы внутри корпуса. Показания защищённого и незащищённого манекенов позволили проверить, насколько хорошо расчётные модели описывают реальное прохождение частиц через Orion, человеческое тело и полиэтиленовый экран.
Подходящего солнечного выброса во время Artemis I не произошло. Основной поток протонов зарегистрировали при прохождении через внутреннюю часть радиационных поясов Ван Аллена , где магнитное поле Земли удерживает заряженные частицы высоких энергий.
Разработчики построили модель корабля, манекенов и жилета и провели расчёты методом Монте-Карло. Компьютер многократно прослеживал движение частиц, их столкновения с веществом, рассеяние и потерю энергии. Для отдельных дозиметров расчёт отличался от измерений не более чем на 5%. После такой проверки параметры излучения заменили данными двух известных солнечных бурь — августа 1972 года и октября 1989 года.
Событие августа 1972 года давно привлекает внимание специалистов по пилотируемым полётам, поскольку произошло между миссиями Apollo 16 и Apollo 17. Если бы астронавты в тот момент находились далеко за пределами основной защиты земной магнитосферы, поток солнечных частиц мог бы создать серьёзную радиационную нагрузку.
Во время моделирования манекены не держали постоянно в одном положении. Настоящий астронавт во время многодневного полёта двигается по кабине и поворачивается относительно направления, откуда приходят частицы, поэтому положение виртуального тела постоянно меняли. Для бури уровня августа 1972 года AstroRad уменьшил расчётную эффективную дозу примерно на 60%.
Сценарий октября 1989 года дал около 40%. Разница объясняется энергетическим спектром протонов. Буря 1989 года содержала больше частиц высоких энергий, которые глубже проникают в материал. Во время многих крупных солнечных событий основная доля протонов приходится на более низкие энергии, а число особенно энергичных частиц быстро уменьшается. Именно против нижней и средней части спектра несколько сантиметров материала с высоким содержанием водорода работают лучше всего.
NASA ограничивает суммарную радиационную нагрузку астронавтов на протяжении карьеры. Авторы работы рассчитали, что использование жилета во время одной крупной солнечной бури может сохранить запас допустимой дозы, соответствующий примерно 40–193 дополнительным дням работы в космосе. Конкретная прибавка зависит от мощности и энергетического спектра события.
Сопоставимый уровень защиты даёт укрытие внутри Orion. При опасном росте радиации экипаж может использовать центральную часть модуля и разместить вокруг себя бортовые запасы и сумки с оборудованием, увеличив количество материала между телом и источником частиц. NASA разрабатывает такой порядок действий специально для солнечных протонных событий.
Укрытие хорошо защищает экипаж, но ограничивает передвижение по кабине и нормальную работу. При сильной буре астронавтам, возможно, придётся провести внутри больше суток. Жилет позволяет сохранить близкий уровень защиты и одновременно выполнять часть повседневных операций, поэтому AstroRad рассматривают как дополнение к защищённой зоне корабля, а не её замену.
Против галактических космических лучей тот же принцип почти не помогает. Поток таких частиц приходит из-за пределов Солнечной системы постоянно, а их энергии значительно выше, чем у основной массы протонов солнечной бури. Для заметного ослабления излучения потребовался бы гораздо более толстый слой материала. Носить настолько тяжёлую защиту непрерывно в течение всей экспедиции практически невозможно. NASA также относит галактические космические лучи к основным источникам радиации в дальнем космосе.
Главная неопределённость испытания связана с отсутствием настоящей солнечной бури во время Artemis I. Расчёты опирались на реальные показания дозиметров, однако модель корпуса Orion упростили до двух материалов, а спектр частиц в поясах Ван Аллена задавали статистически. Прямой эксперимент потребовал бы снова отправить AstroRad далеко от Земли и случайно попасть в достаточно мощный солнечный выброс, поэтому проверить все расчёты таким способом заранее невозможно.
Ещё одно ограничение легко измерить без компьютерных моделей: версия AstroRad на Artemis I весила 26 килограммов. Добавление новых слоёв повысило бы защиту, но одновременно сделало бы жилет тяжелее и менее удобным. Инженеры поэтому сосредоточились на уменьшении массы при сохранении уже достигнутого уровня экранирования.
После обработки данных Artemis I массу конструкции удалось сократить с 26 до 16 килограммов без значительной потери защиты. Следующая цель связана с дальнейшим облегчением жилета. Если AstroRad удастся сделать достаточно удобным, астронавты смогут носить защиту не только несколько часов во время максимального потока протонов, но и несколько суток вокруг пика солнечной бури.
<div class="articl-text-cover" style="position:relative;width:100%;max-width:800px;margin-left:auto;margin-right:auto;aspect-ratio:1200/676;margin-bottom:2rem;overflow:hidden">
<div itemprop="articleBody">Солнечная буря может за несколько часов превратить обычный полёт к Луне в радиационно опасную ситуацию. Солнце выбрасывает потоки протонов, способные увеличить риск рака, а при достаточно высокой дозе вызвать острую лучевую болезнь. На Земле значительную часть излучения задерживают атмосфера и магнитное поле. На пути к Луне или Марсу такой защиты уже нет, поэтому инженерам приходится искать способ оградить экипаж от внезапных всплесков радиации. NASA рассматривает солнечные протонные события как одну из угроз для пилотируемых лунных миссий.
Самое очевидное решение — окружить людей толстым защитным слоем — плохо подходит для космического корабля. Инженеры десятилетиями изучают алюминиевые корпуса, заполненные водой стенки и системы с магнитным полем, которое отклоняло бы заряженные частицы. Любой пассивный экран добавляет массу, а каждый дополнительный килограмм приходится выводить с Земли вместе с экипажем, топливом, оборудованием и запасами.
Разработчики AstroRad пошли другим путём: вместо всего корабля можно закрыть материалом наиболее уязвимые участки человеческого тела. Радиационный жилет отправили вокруг Луны на беспилотной миссии Artemis I в 2022 году. Полёт продолжался почти 26 суток, а корабль Orion вернулся на Землю 11 декабря.
Полностью закрывать человека тяжёлыми пластинами не потребовалось. Разные ткани организма по-разному реагируют на ионизирующее излучение. Особенно чувствителен костный мозг, который производит клетки крови. Большая его часть сосредоточена в костях таза, поэтому защита этой области помогает сохранить достаточно жизнеспособной ткани для последующего восстановления кроветворения.
AstroRad закрывает таз, грудь, желудок, толстую кишку и репродуктивные органы. Распределение материала учитывает как риск тяжёлых последствий при большой дозе, так и вероятность развития рака спустя годы. Голова, руки и ноги остаются практически открытыми. Расчёты для некоторых солнечных бурь при такой схеме дают снижение эффективной дозы примерно на 60%.
Главным материалом выбрали полиэтилен высокой плотности. Для защиты от протонов особенно полезны вещества с большим содержанием водорода. Ядро атома водорода состоит из одного протона, поэтому столкновение летящей частицы с ним позволяет эффективно отнимать у частицы энергию. По той же причине в проектах космической радиационной защиты часто рассматривают воду.
Полиэтилен содержит много водорода и при этом остаётся твёрдым, поэтому жилету не нужны резервуары с жидкостью и защита от протечек. Возникает другая проблема: толстая пластина из полиэтилена плохо гнётся и мешает двигаться.
Инженеры разделили защитные панели на тысячи небольших шестигранных стержней и заключили их между слоями эластичной ткани. Отдельные элементы могут перемещаться относительно соседних, поэтому жилет сгибается вместе с телом. Длина стержней варьируется от девяти до 60 миллиметров.
Размеры рассчитывали с помощью формулы Бете-Блоха, которая описывает потерю энергии заряженной частицы при движении через вещество. Зная энергию протона и свойства полиэтилена, можно оценить глубину его проникновения и подобрать необходимую толщину материала. Поэтому защитный слой AstroRad состоит из элементов разного размера, а не из одинаковой сплошной плиты.
Испытать жилет на человеке во время Artemis I было невозможно: первый полёт корабля Orion вокруг Луны проходил без экипажа. Вместо астронавтов на борту находились два манекена женского тела по имени Хельга и Зоар. Их изготовили из материалов, которые воспроизводят взаимодействие человеческих тканей с ионизирующим излучением. Зоар надели в AstroRad, Хельгу оставили без жилета. ESA указывает, что внутри двух манекенов разместили более 12 тысяч датчиков радиации, распределённых по областям, соответствующим различным органам и тканям.
Дозиметры фиксировали облучение на разных этапах полёта, поэтому исследователи получили не одну итоговую цифру за всю миссию, а подробную картину распределения дозы внутри корпуса. Показания защищённого и незащищённого манекенов позволили проверить, насколько хорошо расчётные модели описывают реальное прохождение частиц через Orion, человеческое тело и полиэтиленовый экран.
Подходящего солнечного выброса во время Artemis I не произошло. Основной поток протонов зарегистрировали при прохождении через внутреннюю часть радиационных поясов Ван Аллена , где магнитное поле Земли удерживает заряженные частицы высоких энергий.
Разработчики построили модель корабля, манекенов и жилета и провели расчёты методом Монте-Карло. Компьютер многократно прослеживал движение частиц, их столкновения с веществом, рассеяние и потерю энергии. Для отдельных дозиметров расчёт отличался от измерений не более чем на 5%. После такой проверки параметры излучения заменили данными двух известных солнечных бурь — августа 1972 года и октября 1989 года.
Событие августа 1972 года давно привлекает внимание специалистов по пилотируемым полётам, поскольку произошло между миссиями Apollo 16 и Apollo 17. Если бы астронавты в тот момент находились далеко за пределами основной защиты земной магнитосферы, поток солнечных частиц мог бы создать серьёзную радиационную нагрузку.
Во время моделирования манекены не держали постоянно в одном положении. Настоящий астронавт во время многодневного полёта двигается по кабине и поворачивается относительно направления, откуда приходят частицы, поэтому положение виртуального тела постоянно меняли. Для бури уровня августа 1972 года AstroRad уменьшил расчётную эффективную дозу примерно на 60%.
Сценарий октября 1989 года дал около 40%. Разница объясняется энергетическим спектром протонов. Буря 1989 года содержала больше частиц высоких энергий, которые глубже проникают в материал. Во время многих крупных солнечных событий основная доля протонов приходится на более низкие энергии, а число особенно энергичных частиц быстро уменьшается. Именно против нижней и средней части спектра несколько сантиметров материала с высоким содержанием водорода работают лучше всего.
NASA ограничивает суммарную радиационную нагрузку астронавтов на протяжении карьеры. Авторы работы рассчитали, что использование жилета во время одной крупной солнечной бури может сохранить запас допустимой дозы, соответствующий примерно 40–193 дополнительным дням работы в космосе. Конкретная прибавка зависит от мощности и энергетического спектра события.
Сопоставимый уровень защиты даёт укрытие внутри Orion. При опасном росте радиации экипаж может использовать центральную часть модуля и разместить вокруг себя бортовые запасы и сумки с оборудованием, увеличив количество материала между телом и источником частиц. NASA разрабатывает такой порядок действий специально для солнечных протонных событий.
Укрытие хорошо защищает экипаж, но ограничивает передвижение по кабине и нормальную работу. При сильной буре астронавтам, возможно, придётся провести внутри больше суток. Жилет позволяет сохранить близкий уровень защиты и одновременно выполнять часть повседневных операций, поэтому AstroRad рассматривают как дополнение к защищённой зоне корабля, а не её замену.
Против галактических космических лучей тот же принцип почти не помогает. Поток таких частиц приходит из-за пределов Солнечной системы постоянно, а их энергии значительно выше, чем у основной массы протонов солнечной бури. Для заметного ослабления излучения потребовался бы гораздо более толстый слой материала. Носить настолько тяжёлую защиту непрерывно в течение всей экспедиции практически невозможно. NASA также относит галактические космические лучи к основным источникам радиации в дальнем космосе.
Главная неопределённость испытания связана с отсутствием настоящей солнечной бури во время Artemis I. Расчёты опирались на реальные показания дозиметров, однако модель корпуса Orion упростили до двух материалов, а спектр частиц в поясах Ван Аллена задавали статистически. Прямой эксперимент потребовал бы снова отправить AstroRad далеко от Земли и случайно попасть в достаточно мощный солнечный выброс, поэтому проверить все расчёты таким способом заранее невозможно.
Ещё одно ограничение легко измерить без компьютерных моделей: версия AstroRad на Artemis I весила 26 килограммов. Добавление новых слоёв повысило бы защиту, но одновременно сделало бы жилет тяжелее и менее удобным. Инженеры поэтому сосредоточились на уменьшении массы при сохранении уже достигнутого уровня экранирования.
После обработки данных Artemis I массу конструкции удалось сократить с 26 до 16 килограммов без значительной потери защиты. Следующая цель связана с дальнейшим облегчением жилета. Если AstroRad удастся сделать достаточно удобным, астронавты смогут носить защиту не только несколько часов во время максимального потока протонов, но и несколько суток вокруг пика солнечной бури.
- Источник новости
- www.securitylab.ru
