Космическая радиация и ее опасность в космических полетах. Про космос. Марсианские колонии и космическая радиация

Одним из основных негативных биологических факторов космического пространства, наряду с невесомостью, является радиация. Но если ситуация с невесомостью на различных телах Солнечной системы (например, на Луне или Марсе) будет лучше, чем на МКС, то с радиацией дела обстоят сложнее.

По своему происхождению космическое излучение бывает двух типов. Оно состоит из галактических космических лучей (ГКЛ) и тяжелых положительно заряженных протонов, исходящих от Солнца. Эти два типа излучения взаимодействуют друг с другом. В период солнечной активности интенсивность галактических лучей уменьшается, и наоборот. Наша планета защищена от солнечного ветра магнитным полем. Несмотря на это, часть заряженных частиц достигает атмосферы. В результате возникает явление, известное как полярное сияние. Высокоэнергетические ГКЛ почти не задерживаются магнитосферой, однако они не достигают поверхности Земли в опасном количестве благодаря ее плотной атмосфере. Орбита МКС находится выше плотных слоев атмосферы, однако внутри радиационных поясов Земли. Из-за этого уровень космического облучения на станции намного выше, чем на Земле, но существенно ниже, чем в открытом космосе. По своим защитным свойствам атмосфера Земли приблизительно эквивалентна 80-сантиметровому слою свинца.

Единственным достоверным источником данных о дозе излучения, которую можно получить во время длительного космического перелета и на поверхности Марса, является прибор RAD на исследовательской станции Mars Science Laboratory, более известной как Curiosity. Чтобы понять, насколько точны собранные им данные, давайте для начала рассмотрим МКС.

В сентябре 2013 года в журнале Science была опубликована статья, посвященная результатам работы инструмента RAD. На сравнительном графике, построенном Лабораторией реактивного движения НАСА (организация не связана с экспериментами, проводимыми на МКС, но работает с инструментом RAD марсохода Curiosity), указано, что за полгода пребывания на околоземной космической станции человек получает дозу излучения, примерно равную 80 мЗв (миллизиверт). А вот в издании Оксфордского университета от 2006 года (ISBN 978-0-19-513725-5) говорится, что в сутки космонавт на МКС получает в среднем 1 мЗв, т. е. полугодовая доза должна составить 180 мЗв. В результате мы видим огромный разброс в оценке уровня облучения на давно изученной низкой орбите Земли.

Основные солнечные циклы имеют период 11 лет, и, поскольку ГКЛ и солнечный ветер взаимосвязаны, для статистически надежных наблюдений нужно изучить данные о радиации на разных участках солнечного цикла. К сожалению, как говорилось выше, все имеющиеся у нас данные о радиации в открытом космосе были собраны за первые восемь месяцев 2012 года аппаратом MSL на его пути к Марсу. Информация о радиации на поверхности планеты накоплена им же за последующие годы. Это не значит, что данные неверны. Просто нужно понимать, что они могут отражать лишь характеристики ограниченного периода времени.

Последние данные инструмента RAD были опубликованы в 2014 году. Как сообщают ученые из Лаборатории реактивного движения НАСА, за полгода пребывания на поверхности Марса человек получит среднюю дозу излучения около 120 мЗв. Эта цифра находится посередине между нижней и верхней оценками дозы облучения на МКС. За время перелета к Марсу, если он также займет полгода, доза облучения составит 350 мЗв, т. е. в 2-4,5 раза больше, чем на МКС. За время полета MSL пережил пять вспышек на Солнце умеренной мощности. Мы не знаем наверняка, какую дозу облучения получат космонавты на Луне, поскольку во времена программы «Аполлон» не проводились эксперименты, изучавшие отдельно космическую радиацию. Ее эффекты изучались лишь совместно с эффектами других негативных явлений, таких как влияние лунной пыли. Тем не менее, можно предположить, что доза будет выше, чем на Марсе, поскольку Луна не защищена даже слабой атмосферой, но ниже, чем в открытом космосе, т. к. человек на Луне будет облучаться только «сверху» и «с боков», но не из-под ног./

В заключение можно отметить, что радиация – это та проблема, которая обязательно потребует решения в случае колонизации Солнечной системы. Однако широко распространенное мнение, что радиационная обстановка за пределами магнитосферы Земли не позволяет совершать длительные космические полеты, просто не соответствует действительности. Для полета к Марсу придется установить защитное покрытие либо на весь жилой модуль космического перелетного комплекса, либо на отдельный особо защищенный «штормовой» отсек, в котором космонавты смогут пережидать протонные ливни. Это не значит, что разработчикам придется использовать сложные антирадиационные системы. Для существенного снижения уровня облучения достаточно теплоизоляционного покрытия, которое применяют на спускаемых аппаратах космических кораблей для защиты от перегрева при торможении в атмосфере Земли.

Текст, представленный ниже, нужно расценивать как личное мнение автора. Никакой секретной информацией (или доступом к ней) он не обладает. Всё, что изложено - это факты из открытых источников плюс немного здравого смысла («диванной аналитики», если угодно).

Научная фантастика - все эти бластеры и «пиу-пиу» в открытом космосе на крошечных одноместных истребителях - приучила человечество серьезно переоценивать доброжелательность Вселенной по отношению к теплым белковым организмам. Особенно сильно это проявляется, когда фантасты описывают путешествия к другим планетам. Увы, освоение «настоящего космоса» вместо привычных нам нескольких сотен «камэ» под защитой магнитного поля Земли будет более трудным предприятием, чем представлялось обывателю всего десятилетие назад.

Итак, вот мой главный тезис. Психологический климат и конфликты внутри экипажа далеко не главные проблемы, с которыми столкнется человек при организации пилотируемых полетов на Марс.

Главная проблема человека, путешествующего за пределы магнитосферы Земли - проблема с большой буквы «Р».

Что такое космическая радиация и почему мы не гибнем от нее на Земле

Ионизирующее излучение в космосе (за пределами нескольких сотен километров околоземельного пространства, которые человек действительно освоил) состоит из двух частей.

Излучение Солнца. Это, прежде всего, «солнечный ветер» - поток частиц, который постоянно «дует» во все стороны от светила и который чрезвычайно хорош для будущих космических парусников, потому что позволит им как следует разогнаться для путешествий за пределы Солнечной системы. Вот только для живых существ основная часть этого ветра не особо полезна. Замечательно, что нас от жесткой радиации защищают толстый слой атмосферы, ионосфера (та, где озоновые дыры), а еще мощное магнитное поле Земли.

Помимо ветра, который разлетается более-менее равномерно, наше светило еще периодически постреливает так называемыми солнечными вспышками. Последние представляют собой выбросы коронарного вещества Солнца. Они настолько серьезны, что время от времени приводят к проблемам у людей и техники даже на Земле, где самое веселье, повторюсь, недурственно экранируется.

Итак, у нас есть атмосфера и магнитное поле планеты. В уже довольно близком космосе, на расстоянии десятка-другого тысяч километров от Земли, солнечная вспышка (даже слабая, всего-то пара Хиросим), попав в корабль, гарантированно выведет его живую начинку из строя без малейших шансов на выживание. Помешать этому сегодня - при текущем уровне развития технологий и материалов - нам абсолютно нечем. По этой и только по этой причине многомесячное путешествие к Марсу человечеству придется отложить до времени, когда мы не решим эту проблему хотя бы частично. Также его придётся планировать в периоды наиболее спокойного солнца и много молиться всем техническим богам.

Космические лучи. Эти вездесущие злодейские штуки несут огромное количество энергии (больше, чем способен закачать в частицу БАК). Они приходят из других частей нашей галактики. Попадая в щит земной атмосферы, такой луч взаимодействует с ее атомами и расшибается на десятки менее энергичных частиц, которые каскадно порождают потоки еще менее энергичных (но тоже опасных) и в итоге все это великолепие проливается радиационным дождём на поверхность планеты. Примерно 15% от фонового излучения на Земле приходится на гостей из космоса. Чем выше ты живешь над уровнем моря, тем выше ловимая в течении жизни доза. И происходит это круглосуточно.

В качестве школьного упражнения попробуйте представить, что произойдёт с космическим кораблём и его «живой начинкой» в случае прямого попадании в них такого луча где-нибудь в открытом космосе. Лететь к Марсу, напомню, предстоит несколько месяцев, кораблик для этого предстоит строить здоровенный и вероятность описанного выше «контакта» (а то и не одного) достаточно велика. Просто пренебречь ею при длительных полетах с живым экипажем, увы, никак не получится.

Что ещё?

Помимо той радиации, что долетает до Земли от Солнца, есть ещё та солнечная радиация, которую магнитосфера планеты отталкивает, не пропускает внутрь и самое главное - накапливает*. Знакомьтесь, читатели. Это радиационный пояс Земли (РПЗ). Он же пояс Ван Аллена, как его называют за рубежом. Преодолеть его космонавтам предстоит что называется «на полных парах», чтобы не получить летальную дозу радиации всего за несколько часов. Повторный контакт с этим поясом - если мы вопреки здравому смыслу решим вернуть астронавтов с Марса на Землю - запросто может их добить.

*Значительная доля частиц пояса Ван Аллена приобретает опасную скорость уже в самом поясе. То есть он не только защищает нас от радиации извне, но еще и усиливает эту накопленную радиацию.

До сих пор речь шла об открытом космосе. Но не нужно забывать о том, что у Марса (в отличие от Земли) почти нет магнитного поля**, а атмосфера разрежённая и дохленькая, так что подвергаться воздействию этих негативных факторов люди будут не только в полёте.

**Ладно, немножко есть - в районе южного полюса.

Отсюда вывод. Жить будущим колонистам вероятнее всего предстоит не на поверхности планеты (как нам показывали в эпичном кино «Миссия на Марс»), а глубоко под ней.

Как быть?

Прежде всего, видимо, не питать иллюзий на скорое (в течение десятка-другого-третьего лет) разрешение всех этих проблем. Чтобы избежать гибели экипажа от лучевой болезни, нам придётся или вообще его туда не посылать и осваивать космос с помощью умных машин (кстати, не самое глупое решение), либо очень здорово поднапрячься, потому что, если я прав, то отправка людей на Марс с созданием там постоянной колонии - задача для одной страны (хоть США, хоть России, хоть Китая) в ближайшие полстолетия, а то и дольше совершенно неподъёмная. Один корабль для такой миссии обойдется в сумму, эквивалентную постройке и полному обслуживанию пары-тройки МКС (см. ниже).

И да, забыл сказать: пионеры Марса будут заведомо «смертниками», поскольку ни обратной дороги, ни долгой и комфортной жизни на Марсе обеспечить им в ближайшие полвека у нас, скорее всего, получится.

Как теоретически могла бы выглядеть миссия на Марс, имей мы для этого все ресурсы и технологии старушки-Земли? Сравните описанное ниже с тем, что вы видели в культовом фильме «Марсианин».

Миссия на Марс. Условно реалистичная версия

Во-первых, человечеству предстоит сильно напрячься и построить циклопических размеров космический корабль с мощной антирадиационной защитой, который сможет частично компенсировать адскую лучевую нагрузку на экипаж за пределами магнитного поля Земли и обеспечить доставку более-менее живых колонистов на Марс - в один конец.

Как может выглядеть такой корабль?

Это здоровенная махина в десятки (а лучше сотни) метров в поперечнике, обеспеченная собственным магнитным полем (сверхпроводящие электромагниты) и источниками энергии для его поддержания (атомные реакторы). Огромные размеры конструкции позволяют набить её изнутри поглощающими радиацию материалами (например, это может быть вспененный освинцованный пластик или герметичные контейнеры с простой либо «тяжелой» водой), которые десятилетиями (!) предстоит возить на орбиту и монтировать вокруг сравнительно крошечной капсулы жизнеобеспечения, куда потом мы поместим астронавтов.

Помимо размеров и дороговизны, марсианский корабль должен быть чертовски надежным и, главное, полностью автономным в плане управления. Чтобы доставить экипаж живым безопаснее всего будет погрузить его в искусственную кому и немного охладить (всего на пару-тройку градусов), чтобы замедлить метаболические процессы. В таком состоянии люди а) будут менее чувствительны к радиации, б) занимают меньше места и их дешевле экранировать от все той же радиации.

Очевидно, помимо корабля, нужен искусственный интеллект, способный уверенно доставить корабль на орбиту Марса, выгрузить колонистов на его поверхность, не повредив в процессе ни себя, ни груз, а потом ещё без участия людей вернуть астронавтов в сознание (уже на Марсе). Пока таких технологий у нас нет, но есть некоторая надежда, что подобный ИИ, а главное политические и экономические ресурсы для постройки описанного корабля, появятся у нас, допустим, ближе к середине столетия.

Хорошей новостью является то, что марсианский «паром» для колонистов вполне может быть многоразовым. Ему предстоит как челноку курсировать между Землёй и конечным пунктом, доставляя в колонию партии «живого груза» на замену выбывших «от естественных причин» людей. Для доставки «неживого» груза (еды, воды, воздуха и техники) противолучевая защита особо не нужна, так что марсианским грузовиком суперкорабль делать не обязательно. Он нужен исключительно для доставки колонистов и, возможно, семян растений / молоди сельскохозяйственных животных.

Во-вторых, нужно заранее забросить на Марс технику и запасы воды-еды-кислорода на экипаж из 6-12 человек на 12-15 лет (с учётом всех форс-мажоров). Это само по себе нетривиальная задачка, но допустим, что в ресурсах для ее решения мы не ограничены. Предположим, что войны и политические пертурбации Земли утихли, а на марсианскую миссию работает в едином порыве вся планета.

Забрасываемая на Марс техника, как вы уже должны догадаться, представляет собой полностью автономных роботов с искусственным интеллектом и питанием от компактных ядерных реакторов. Им предстоит методично в течение десятка-полутора лет отрыть сначала глубокий тоннель под поверхность красной планеты. Затем - ещё за несколько лет - небольшую сеть тоннелей, в которую предстоит втащить блоки жизнеобеспечения и запасы для будущей экспедиции, а потом все это герметично смонтировать в автономный подмарсианский поселок.

Метроподобное обиталище кажется оптимальным решением по двум причинам. Во-первых, оно экранирует космонавтов от космических лучей уже на самом Марсе. Во-вторых, из-за остаточной «марсотермальной» активности недр под поверхностью планеты на градус-другой теплее, чем снаружи. Это пригодится колонистам как для экономии энергии, так и для выращивания картошки на собственных фекалиях.

Уточним важный момент: строить колонию придётся в южном полушарии, где на планете ещё сохранилось остаточное магнитное поле.

Выходить на поверхность астронавтам в идеале не придётся вообще (Марс «вживую» они или не увидят совсем, или увидят один раз - при посадке). Всю работу на поверхности предстоит делать роботам, действиями которых колонистам предстоит руководить из своего бункера всю их недолгую жизнь (лет двадцать при удачном стечении обстоятельств).

В-третьих, надо поговорить о самом экипаже и методах его подбора.

Идеальной схемой последнего станет поиск по всей Земле… генетически идентичных (монозиготных) близнецов, один из которых только что превратился в донора органов (например, «удачно» попав в автокатастрофу). Звучит до крайности цинично, но пусть это не помешает вам дочитать текст до конца.

Что нам дает близнец-донор?

Погибший близнец даёт возможность своему брату (или сестре) стать идеальным колонистом на Марсе. Дело в том, что красный костный мозг первого, будучи доставлен на красную планету в дополнительно защищённом от радиации контейнере, можно будет перелить близнецу-астронавту. Тем самым повышаются шансы на выживание оного при лучевой болезни, остром лейкозе и других неприятностях, которые с колонистом весьма вероятно приключатся за годы миссии.

Итак, как выглядит процедура отсева будущих колонистов?

Отбираем несколько миллионов близнецов. Ждём, пока что-то происходит с одним из них, и делаем предложение оставшемуся. Набирается пул из, скажем, ста тысяч потенциальных кандидатов. Теперь внутри этого пула проводим итоговый отбор на психологическую совместимость и профпригодность.

Естественно, для расширения выборки отбирать астронавтов придётся по всей Земле, а не в одной или двух странах.

Ещё бы, конечно, здорово помогла некая технология выявления особо устойчивых к облучению кандидатов. Известно, что некоторая часть людей гораздо более устойчива к радиации, чем другая. Наверняка её можно выявить с помощью неких генетических маркеров. Если дополнить этим методом идею с близнецами, вместе они должны существенно повысить выживаемость марсианских колонистов.

Помимо этого, полезно было бы научиться переливать людям костный мозг в невесомости. Это не единственная штука, которую предстоит изобрести специально под этот проект, но, по счастью, время у нас ещё есть, а МКС пока что болтается на орбите Земли будто специально для отработки подобных технологий.

PS. Я должен специально оговориться, что принципиальным противником космических путешествий я не являюсь и верю, что рано или поздно «космос будет наш». Вопрос только в цене этого успеха, а также во времени, которое человечество затратит на отработку необходимых технологий. Мне кажется, под влиянием научной фантастики и массовой культуры многие из нас довольно беспечны в смысле понимания трудностей, которые на этом пути предстоит преодолеть. Чтобы несколько отрезвить эту часть «космооптимистов » и написан этот текст.

Во и частях я расскажу какие еще варианты у нас имеются в вопросе освоения космоса человеками в долгосрочной перспективе.

Представляет собою ионизирующее излучение, поступающее из бескрайнего космического пространства. Его принято подразделять на:

• Галактическое излучение (оно состоит из атомных ядер, обладающих высокой энергией и практически каждого элемента таблицы Менделеева),
• Излучение хромосферных вспышек на поверхности , (они содержат в себе протоны разных энергий и излучения исходящие от радиационных поясов планеты такие как: протоны и электроны).

От вредоносного воздействия космического излучения любое живое существо, находящееся на Земле надежно защищено магнитным полем и прочной атмосферой Земли. Космические лучи то и дело бомбардируют другие планеты, не имеющие атмосферы. Ученые мужи нашего времени предполагают, что постоянное космическое излучение как раз и является той причиной, которая ограничивает шансы нахождения на других планетах живых организмов.

Космическое излучение – получает ли его Земля из космоса?

С того самого момента, когда космическое излучение было открыто учеными, они не перестают их изучать. Результаты последних изучений подтверждают, что все заряженные субатомные частички движутся в космическом пространстве со скоростью, примерно равной скорости света. Также были замечены такие космические лучи, энергия которых меньше значения в 100 ТэВ. В основном эти лучи состояли из протонов, электронов, ядер химических элементов, фотонами и нейтринами.
Кроме того, до сих пор не исключается возможность выявления частиц как тяжелой, так и сверхтяжелой темных материй. Нахождение этих частиц устранило бы целый ряд белых пятен в изучении космического излучения.

Когда космические лучи достигают поверхности атмосферы Земли, они становятся источником потока других частиц. Например, мюонов. Они считаются куда более тяжелыми частицами, чем электроны. Незначительная часть этих частиц достигает поверхности Земли. Их воздействие может быть весьма опасным для всех живых организмов, находящихся как на поверхности почвы, так и в водоемах. Но даже их вредоносное воздействие поглощается атмосферой Земли и ее озоновым слоем

Космическое излучение и его влияние на человека

Как это ни странно, на данный момент космические излучения практически не влияют на процессы жизнедеятельности живых организмов, находящихся на Земле.
Это можно объяснить тем, что практически все космические лучи поглощаются атмосферой.

Воздействие космической радиации может нанести вред только на космонавтов и искусственные космические объекты, находящие на высоте, превышающей 10 км от уровня моря.

В последние годы, метеорологи регистрируют минимум вредоносных космических излучений. Поэтому, не стоит слишком сильно бояться находиться на солнце разумное время. В этом случае, активность космического излучения не принесет человеку никакого ощутимого вреда. Однако если на улице стоит слишком большая жара стоит позаботиться о том, чтобы не избежать теплового или солнечного удара, а также солнечных ожогов по причине долгого пребывания на пляже

07.12.2016

Прибор RAD состоит из трех кремниевых твердотельных пластин, выступающих в качестве детектора. Дополнительно он имеет кристалл йодида цезия, который используется в качестве сцинтилятора. RAD установлен так, чтобы во время посадки смотреть в зенит и захватывать поле в 65 градусов.

Фактически это радиационный телескоп, который фиксирует ионизирующие излучения и заряженные частицы в широком диапазоне.

Эквивалентная доза поглощенного радиационного облучения в 2 раза превосходит дозу МКС.

Шестимесячный полет к Марсу примерно равносилен 1 году проведенному на околоземной орбите. Учитывая, что общая длительность экспедиции должна составить около 500 суток, перспектива открывается не оптимистичная.

Для человека накопленная радиация в 1 Зиверт повышает риск раковых заболеваний на 5%. NASA позволяет своим астронавтам за свою карьеру, набирать не более 3% риска или 0,6 Зиверта.

Длительность жизни космонавтов ниже, чем средняя в их странах. Не менее четверти смертности приходится на онкологию.

Из 112 летавших российских космонавтов 28 уже нет с нами. Пять человек погибли: Юрий Гагарин - на истребителе, Владимир Комаров, Георгий Добровольский, Владислав Волков и Виктор Пацаев - при возвращении с орбиты на Землю. Василий Лазарев умер от отравления некачественным спиртом.

Из 22 остальных покорителей звездного океана для девяти причиной смерти стала онкология. От рака скончались Анатолий Левченко (47 лет), Юрий Артюхин (68), Лев Демин (72), Владимир Васютин (50), Геннадий Стрекалов (64), Геннадий Сарафанов (63), Константин Феоктистов (83), Виталий Севастьянов (75). Официальная причина смерти еще одного космонавта, умершего от рака, не раскрывается. Для полетов за пределы Земли отбирают самых здоровых, самых крепких.

Итак, девять умерших от рака из 22 космонавтов составляют 40,9%. Теперь обратимся к аналогичной статистике в целом по стране. В прошлом году покинули сей мир 1 млн 768 тысяч 500 россиян (данные Росстата). При этом от внешних причин (транспортных ЧП, отравлений алкоголем, самоубийств, убийств) умерли 173,2 тысячи. Остается 1 млн 595 тысяч 300. Скольких граждан загубила онкология? Ответ: 265,1 тысячи человек. Или 16,6%. Сравним: 40,9 и 16,6%. Выходит, обычные граждане от рака умирают в 2,5 раза реже, чем космонавты.

По отряду астронавтов США аналогичных сведений нет. Но даже отрывочные данные свидетельствуют: онкология косит и американских звездоплавателей. Вот неполный список жертв страшной болезни: Джон Свайгерт-младший - рак костного мозга, Дональд Слейтон - рак мозга, Чарлз Вич - рак мозга, Дэвид Уолкер - рак, Алан Шепард - лейкемия, Джордж Лоу - рак толстой кишки, Рональд Пэриз - опухоль головного мозга.

За один полет на орбиту Земли каждый член экипажа получает такое облучение, как если бы 150–400 раз побывал на обследовании в рентгеновском кабинете.

С учетом того, что на МКС ежедневная доза составляет до 1 мЗв (годовая допустимая доза для человека на земле), то предельный срок пребывания астронавтов на орбите ограничивается примерно 600 сутками за всю карьеру.

На самом Марсе радиация должна быть примерно в два раза ниже, чем в космосе, из-за атмосферы и пылевой взвеси в ней т. е. соответствовать уровню МКС, но точных показателей еще не публиковали. Интересны будут показатели RAD в дни пылевых бурь - узнаем насколько марсианская пыль является хорошим радиационным экраном.

Сейчас рекорд пребывания на околоземной орбите принадлежит 55-летнему Сергею Крикалеву - на его счету 803 суток. Но он набрал их с перерывами - всего он совершил 6 полетов с 1988 по 2005 год.

Радиация в космосе возникает в основном из двух источников: от Солнца - во время вспышек и коронарных выбросов, и от космических лучей, которые возникают во время взрывов сверхновых или других высокоэнергетических событий в нашей и других галактиках.

На иллюстрации: взаимодействие солнечного «ветра» и магнитосферы Земли.

Космические лучи составляют основную долю радиации в межпланетном путешествии. На них приходится доля излучения в 1,8 мЗв в сутки. Лишь три процента облучения накоплено Curiosity от Солнца. Это связано еще и с тем, что полет проходил в сравнительно спокойное время. Вспышки повышают суммарную дозу, и она приближается к 2 мЗв в сутки.

Пики приходятся на солнечные вспышки.

Нынешние технические средства более эффективны против солнечной радиации, которая имеет невысокую энергию. Например, можно оборудовать защитную капсулу, где космонавты смогут скрываться во время солнечных вспышек. Однако, от межзвездных космических лучей не защитят даже 30 см алюминиевые стены. Свинцовые, вероятно, помогли бы лучше, но это значительно повысит массу корабля, а значит затраты на его выведение и разгон.

Возможно, придется собирать межпланетный космический корабль на орбите вокруг Земли - навешивать тяжелые свинцовые пластины для защиты от радиации. Или использовать для сборки Луну, где вес космолета будет ниже.

Наиболее эффективным средством минимизации облучения должны стать новые типы двигателей, которые существенно сократят время полета до Марса и обратно. NASA сейчас работает над солнечным электрореактивным двигателем и ядерным тепловым. Первый может в теории разогнаться до 20 раз быстрее современных химических двигателей, но разгон будет очень долгим из-за малой тяги. Аппарат с таким двигателем предполагается направить для буксировки астероида, который NASA хочет захватить и перевести на окололунную орбиту для последующего посещения астронавтами.

Наиболее перспективные и обнадеживающие разработки по электрореактивным двигателям ведутся по проекту VASIMR. Но для путешествия к Марсу солнечных панелей будет недостаточно - понадобится реактор.

Ядерный тепловой двигатель развивает удельный импульс примерно втрое выше современных типов ракет. Суть его проста: реактор нагревает рабочий газ (предполагается водород) до высоких температур без использования окислителя, который требуется химическим ракетам. При этом предел температуры нагрева определяется только материалом из которого изготовлен сам двигатель.

Но такая простота вызывает и сложности - тягой очень сложно управлять. NASA пытается решить эту проблему, но не считает разработку ЯРД приоритетной работой.

Применение ядерного реактора еще перспективно тем, что часть энергии можно было бы пустить на генерацию электромагнитного поля, которое бы дополнительно защищало пилотов и от космической радиации, и от излучения собственного реактора. Эта же технология сделала бы рентабельной добычу воды на Луне или астероидах, то есть дополнительно стимулировала коммерческое применение космоса.

Хотя сейчас это не более чем теоретические рассуждения, не исключено, что именно такая схема станет ключом к новому уровню освоения Солнечной системы.

Дополнительные требования к космическим и военными микросхемам.

В первую очередь - повышенные требования к надежности (как самого кристалла, так и корпуса), устойчивости к вибрации и перегрузкам, влажности, температурный диапазон - существенно шире, т. к. военная техника и в -40С должна работать, и при нагреве до 100С.

Затем - стойкость к поражающим факторам ядерного взрыва - ЭМИ, большой мгновенной дозе гамма/нейтронного излучения. Нормальная работа в момент взрыва может быть невозможна, но по крайней мере прибор не должен необратимо выйти из строя.

И наконец - если микросхема для космоса - стабильность параметров по мере медленного набора суммарной дозы облучения и выживание после встречи с тяжелым заряженным частицами космической радиации.

Как же влияет радиация на микросхемы?

В «штуках частиц» космическое излучение состоит на 90% из протонов (т.е. ионов dодорода), на 7% из ядер гелия (альфа-частиц), ~1% более тяжелые атомы и ~1% электроны. Ну и звезды (включая Cолнце), ядра галактик, Млечный путь - обильно освещают все не только видимым светом, но и рентгеновским и гамма излучением. Во время вспышек на солнце - радиация от солнца увеличивается в 1000-1000000 раз, что может быть серьёзной проблемой (как для людей будущего, так и нынешних космических аппаратов за пределами магнитосферы земли).

Нейтронов в космическом излучении нет по очевидной причине - свободные нейтроны имеют период полураспада 611 секунд, и превращаются в протоны. Даже от солнца нейтрону не долететь, разве что с совсем уж релятивистской скоростью. Небольшое количество нейтронов прилетает с земли, но это мелочи.

Вокруг земли есть 2 пояса заряженных частиц - так называемые радиационные : на высоте ~4000 км из протонов, и на высоте ~17000 км из электронов. Частицы там движутся по замкнутым орбитам, захваченные магнитным полем земли. Также есть бразильская магнитная аномалия - где внутренний радиационный пояс ближе подходит к земле, до высоты 200 км.

Электроны, гамма и рентгеновское излучение.

Когда гамма и рентгеновское излучение (в том числе вторичное, полученное из-за столкновения электронов с корпусом аппарата) проходит через микросхему - в подзатворном диэлектрике транзисторов начинает постепенно накапливаться заряд, и соответственно начинают медленно изменятся параметры транзисторов - пороговое напряжение транзисторов и ток утечки. Обычная гражданская цифровая микросхема уже после 5000 рад может перестать нормально работать (впрочем, человек может перестать работать уже после 500-1000 рад).

Помимо этого, гамма и рентгеновское излучение заставляет все pn переходы внутри микросхемы работать как маленькие «солнечные батареи» - и если в космосе обычно радиация недостаточна, чтобы это сильно повлияло на работу микросхемы, во время ядерного взрыва потока гамма и рентгеновского излучения уже может быть достаточно, чтобы нарушить работу микросхемы за счет фотоэффекта.

На низкой орбите 300-500км (там где и люди летают) годовая доза может быть 100 рад и менее, соответственно даже за 10 лет набранная доза будет переносима гражданскими микросхемами. А вот на высоких орбитах >1000km годовая доза может быть 10000-20000 рад, и обычные микросхемы наберут смертельную дозу за считанные месяцы.

Тяжелые заряженные частицы (ТЗЧ) - протоны, альфа-частицы и ионы больших энергий

Это самая большая проблема космической электроники - ТЗЧ имеют такую высокую энергию, что «пробивают» микросхему насквозь (вместе с корпусом спутника), и оставляют за собой «шлейф» заряда. В лучшем случае это может привести к программной ошибке (0 стать 1 или наоборот - single-event upset, SEU), в худшем - привести к тиристорному защелкиванию (single-event latchup, SEL). У защелкнутого чипа питание закорачивается с землей, ток может идти очень большой, и привести к сгоранию микросхемы. Если питание успеть отключить и подключить до сгорания - то все будет работать как обычно.

Возможно именно это было с Фобос-Грунтом - по официальной версии нерадиационностойкие импортные микросхемы памяти дали сбой уже на втором витке, а это возможно только из-за ТЗЧ (по суммарной набранной дозе излучения на низкой орбите гражданский чип мог бы еще долго работать).

Именно защелкивание ограничивает использование обычных наземных микросхем в космосе со всякими программными хитростями для увеличения надежности.

Что будет, если защитить космический аппарат свинцом?

С галактическими космическими лучами к нам иногда прилетают частицы с энергией 3*1020 eV, т.е. 300000000 TeV. В человеко-понятных единицах, это около 50Дж, т.е. в одной элементарной частице энергия как у пули мелкокалиберного спортивного пистолета.

Когда такая частица сталкивается например с атомом свинца радиационной защиты - она просто разрывает его в клочья. Осколки также будут иметь гигантскую энергию, и также будут разрывать в клочья все на своём пути. В конечном итоге - чем толще защита из тяжелых элементов - тем больше осколков и вторичной радиации мы получим. Свинцом можно сильно ослабить только относительно мягкую радиацию земных ядерных реакторов.

Аналогичным эффектом обладает и гамма-излучение высоких энергий - оно также способно разрывать тяжелые атомы в клочья за счет фотоядерной реакции.

Происходящие процессы можно рассмотреть на примере рентгеновской трубки.

Электроны от катода летят в сторону анода из тяжелого металла, и при столкновении с ним - генерируется рентгеновское излучение за счет тормозного излучения.

Когда электрон космического излучения прилетит к нашему кораблю - то наша радиационная защита и превратится в естественную рентгеновскую трубку, рядом с нашими нежными микросхемами и еще более нежными живыми организмами.

Из-за всех этих проблем радиационную защиту из тяжелых элементов, как на земле - в космосе не используют. Используют защиту большей частью состоящую из алюминия, водорода (из различных полиэтиленов и проч), т. к. его разбить можно только на субатомные частицы - а это намного сложнее, и такая защита генерирует меньше вторичной радиации.

Но в любом случае, от ТЗЧ защиты нет, более того - чем больше защиты - тем больше вторичной радиации от высокоэнергетических частиц, оптимальная толщина получается порядка 2-3мм алюминия. Самое сложное что есть - это комбинация защиты из водорода, и чуть более тяжелых элементов (т.н. Graded-Z) - но это не сильно лучше чисто «водородной» защиты. В целом, космическую радиацию можно ослабить примерно в 10 раз, и на этом все.