Что такое космическое излучение и при чем тут плесень?
Вынужденный пост, ибо недавно Маск заявил, что хочет построить колонию на Марсе, и тут народ забурлил про «невозможность». Основной посыл был в том, что «тамжырадиация», все умрут ещё на подлете. Интересно, но исключительный вред радиации активно мусолится и нашими СМИ и космическим агентством. Поэтому поборов лень, я решил запилить пост, да и надо торопиться, пока культпросвет и научпоп в стране не обложили налогами и бюрократией. Мне интересен космос, в профиле ещё несколько постов про всё это, и изредка они пополняются.
Так что давайте разбираться, так ли всё печально. (Предупреждение! ОЧЕНЬ ДЛИННОПОСТ! В посте будут встречаться картинки из Пейнта и графики с цветными столбцами, мемы, цветные слова-гиперссылки на которые надо кликать, источники на английском) Выводы как всегда в конце.
Начнем с теории.
До́за излуче́ния — в радиационной безопасности, физике и радиобиологии — величина, используемая для оценки степени воздействия ионизирующего излучения на любые вещества, живые организмы и их ткани. Излучение – это передача энергии в форме волн или частиц. Виды излучения можно посмотреть в вики.Говоря про уровень радиации на МКС или на земле, используют понятие
Эквивалентная доза (биологическая доза). Измеряется в зивертах (Зв), Зиверт - это единица измерения радиационного воздействия на биологическую ткань. При одинаковых поглощённых дозах различные виды излучения производят неодинаковое биологическое воздействие на организм. Обусловлено это тем, что более тяжёлая частица (например, протон) производит на единице длины пути в ткани больше ионов, чем лёгкая (например, электрон).
Что это значит? Элементарные частицы или волны влетают в ваш организм, попутно передавая свою энергию атомам, из которых вы состоите, ионизируя их, из-за чего разрушаются молекулы, из-за чего разрушаются клетки и тд. Если частица малая или вообще волна вроде рентгена, она просто пролетит сквозь организм, практически ничего не испортив. Но если ты держишь кусок обогащенного урана в руках, то можно стать героем мема:
В космосе есть 2 вида излучения:
• Галактические космические лучи (ГКЛ). Это космическое излучение, которое есть всегда, это естественный радиационный фон в космосе. Порождаются они взрывами сверхновых звёзд и состоят на 90% из протонов или ядер Гелия с очень высокими энергиями. Если вокруг не начнут резко взрываться сверхновые звёзды, то можно считать, интенсивность такого излучения постоянна и не меняется.
• Солнечные космические лучи. Состоят из протонов, электронов более низких энергий и наиболее интенсивны во времена солнечной активности. Величина излучения не постоянна.
Во время спокойной солнечной активности, космический аппарат, вроде Curiosity получил 97% излучения именно от галактического излучения, и лишь 3% от Солнца.
С теорией разобрались, перейдем к практике.
По оценкам ООН, средние годовые дозы, получаемые людьми во всем мире от естественного фонового излучения, составляют 2,4 мЗв/год, а типичный диапазон этих доз – 1-10 мЗв/г. Таким образом, накопленные дозы от естественного излучения, в течение жизни, могут составить около 100-700 мЗв (на разных континентах и в различных регионах планеты - свои значения). Дозы облучения человека могут считаться низкими, если они сравнимы с уровнями естественного фонового излучения, составляющими, обычно - несколько мЗв в год.
1 Зв (1000 мЗв) - риск появления раковых заболеваний, годами позже. Для человека накопленная радиация в 1 Зиверт повышает риск раковых заболеваний на 5%. Если общий показатель облучения изначально здорового человека не превышает 1 тысячи миллизиверт (предельная норма за время карьеры, общая для всех профессий, которые имеют дело с радиоактивными материалами или активно облучаются радиацией, как во время работы космонавтов на орбите) - его жизнь сократится не более чем на два с половиной — три года. NASA позволяет своим астронавтам за свою карьеру, набирать не более 0,6 Зиверта или повышать вероятность онкологий не больше, чем на 3%. (На самом деле всё зависит от пола и возраста, для молодых и женщин, пределы ниже, а мужиков пенсионеров можно облучать и всё будет ок) страница 7-8
Теперь разберемся с численными показателями. Данные слишком разнятся, так что не принимаем это близко к сердцу.
*MSL/ RAD и DOSIS - научные приборы
На поверхности Человек получает примерно 0.1 мкЗВ/ч. На борту Самолёта в 40 раз больше, а находясь в МКС в 250 раз больше, ну а в космическом путешествии до Марса Человек находясь за тонким корпусом посадочного щита бы получил в 3-4 раза больше радиации, чем на МКС и в 700 с лишнем раз больше, чем на Земле.
Источники абсолютно разные и числа сильно различаются особенно для межпланетных перелетов. И если начать совмещать/переводить то получается бардак, и от всего этого становится больно. Есть статья про MSL/ RAD на инглише, там подробно написано об эксперименте, можете посчитать.
Также Наса выпустила статью, где примерно посчитало различный общий уровень радиации. (Естественно статья без какой-либо методологии, так что делаем допущения, как и всегда)
0,2 мЗВ на уровне моря за год, 3.5 мЗВ в среднем на территории США, 8+ мЗВ разовое КТ брюшной полости, 20 мЗВ – годовой лимит для работников атомной промышленности, 80-160 мЗВ – 6 месяцев на МКС(в зависимости от солн. активности), 320-350 мЗВ – 180-дневный перелет или 500 дней на Марсе.
Отсюда важные выводы: Основным источником защиты от космического излучения являются материалы и вещество. В нашем случае, чудесная атмосфера примерно 100 км толщиной, в которой есть и азот, и кислород, и даже озоновый слой. Атмосфера снижает космическую радиацию в сотни раз.
На втором месте магнитное поле, которое отклоняет огромный поток заряженных частиц и спасает нашу атмосферу от выдувания (Диссипация атмосфер планет). Без него бы озоновый слой разрушился, ультрафиолет сжег органику, вода бы ионизировалась и испарилась, и Земля бы стала похожа на Венеру.
С магнитным полем есть интересная особенность: оно порождает зоны крайне повышенной радиации – пояса Ван-Алена.
Радиационный пояс в первом приближении представляет собой тороид, в котором выделяются две области:
• Внутренний радиационный пояс на высоте ≈ 4000 км, состоящий преимущественно из протонов с энергией в десятки МэВ;
• Внешний радиационный пояс на высоте ≈ 17 000 км, состоящий преимущественно из электронов с энергией в десятки кэВ.
(Можно выделить ещё третий смешанный пояс, но к делу это не относится, так что не будем зацикливаться)
В них лучше не влетать и покидать эти орбиты как можно скорее.
В дополнении к этому разделу Есть ещё такая табличка:
*Estimated – предполагаемая. ISS – мкс.
Итак часть третья – Выводы.
◦ Все данные основаны на замерах радиации научными приборами, без какой-либо радиационной защиты. И даже так без Магнитного поля радиация в космосе всего в 3-4 раза больше, чем на МКС.
С этим можно работать. Ибо даже долгие сроки на МКС существенно не влияют на здоровье космонавтов и астронавтов. На сегодняшний день рекорд принадлежит Сергею Крикалёву, который в общей сложности провел на МКС 803 дня!!!!! Можно сказать, что по срокам и полученной дозе - это было как перелёт до Марса и возможно даже назад. С ним всё хорошо. Жив здоров. Кроме того проводились эксперименты «год на орбите», которые так же не выявили серьезных нарушений.
Почему так произошло?
Доза накапливается в течение длительного времени. При повреждении человеческое тело регенерирует, следовательно никакой лучевой болезни, повреждения органов и тд не бывает. От такого повышается вероятность возникновения рака, но это только вероятность.
◦ Далее. В Космосе 2 вида излучения Солнечное и галактическое. Причем первое вытесняет второе. Если лететь во времена солнечных вспышек, то солнечный ветер будет брать на себя удар галактического излучения, а от него уже достаточно просто защититься. Дело в том, что направлены они только с одной стороны – стороны солнца, и достаточно подставить необитаемую часть корабля, либо зайти в защищенную капсулу, которые поглотят всю энергию частиц, чтобы комфортно пережить вспышку. Схематичное изображение:
◦ С ГКЛ уже сложнее. Летят они ото всюду, энергия очень высокая и они пробивают даже свинцовые листы. Но не всё так плохо. Сейчас испытываются различные материалы, вроде органики, полимеров, новых сплавов, у которых высокий потенциал защиты при низкой массе.
Как оказалось даже плесень способна поглощать радиацию. тык
Лунная Артемида включает в себя исследования радиации. Основная нагрузка – это топливо, оборудование, еда, вода. Люди составляют ничтожную долю. Поэтому сделать пару более защищенных экипажных кораблей не составляет труда. На самом Марсе и Луне у жилищ достаточно сделать внешний корпус из реголитовых блоков, которые будут полностью поглощать всю энергию заряженных частиц. Получится что-то вроде иглу. Дешево и сердито. Есть даже варианты делать блоки изо льда. Ну и не забываем про плесень, куда уж без неё.
В далекой перспективе планируется растопление полюсов и повышение температуры. Высвободившейся СО2 также уменьшит уровень радиации.
◦ Значительную дозу излучения можно хапнуть на отлете с Земли, задев радиационный пояс, поэтому желательно использовать мощные химические движки, либо плазменные с высокой тягой.
◦ Использование плазмы для перелетов позволит ускорить корабли. Они требуют больше энергии, зато меньше топлива. Т.е. можно «на все деньги» просто сильно ускорить корабль, а потом сильно тормозить на подлете, что позволит сократить полеты до 100 дней и даже меньше. В зависимости от расточительности. В будущем, возможно станут доступны полёты через Венеру, и можно будет летать чаще, чем раз в 2 года.
◦ Возрастной и гендерный состав помогут уменьшить негативное влияние. Взрослые мужчины более толерантнее переносят излучение.
◦ Опасное влияние радиации также нивелируется достижениями в медицине. За последние десятилетия диагностика и удаление различных опухолей просто шагнула на невероятно высокий уровень, и темпы только нарастают.
Итого: перелеты до Марса не так страшны. Голый датчик хапнул всего в пару раз больше радиации, чем космонавты на МКС.
Материалы хорошо останавливают даже космические лучи, без всяких генераторов магнитного поля. Надо просто больше исследований. Плазменные типы двигателей уже исследуются, позволят ускорить перелеты. Медицина не стоит на месте и поможет избежать негативных последствий.
В ближайшие 10-15 лет в рамках миссий Артемида будет получен колоссальный объем данных по космической радиации, а значит люди получат знания для борьбы с этим явлением. Кстати первые данные уже будут получены после 1 полёта Ориона при поддержки ЕКА, я об этом сделаю пост.
Так же будет отдельный пост, зачем именно человек нужен на Марсе, и что ему там делать.
Такие дела. Be smart, be improved.
