Радиационные пояса Ван Аллена: сколько радиации получают астронавты и почему Марс — это совсем другое

В 1958 году первый американский спутник Explorer 1 нёс простой прибор — счётчик Гейгера физика Джеймса Ван Аллена. Данные оказались неожиданными: на определённых высотах прибор «зашкаливал» — уровни радиации были на порядки выше ожидаемых. Так были открыты радиационные пояса Земли.

Шесть десятилетий спустя они по-прежнему остаются одним из главных радиационных вызовов для пилотируемой космонавтики.

Что такое радиационные пояса

Земля обладает магнитным полем, которое простирается в космическое пространство. Заряженные частицы — протоны и электроны — захватываются этим полем и начинают двигаться по сложным траекториям вокруг Земли. Со временем в определённых областях они накапливаются, образуя радиационные пояса.

Внутренний пояс (1000–6000 км над экватором): преимущественно протоны с энергиями 10–100 МэВ. Образуется в основном от взаимодействия галактических космических лучей с атмосферой. Очень стабильный, практически не меняется со временем.

Внешний пояс (13 000–60 000 км): преимущественно электроны с энергиями 0,1–10 МэВ. Значительно изменчив: солнечные бури могут усилить его в десятки раз за несколько часов.

Южно-Атлантическая аномалия (САА) — область, где внутренний пояс опускается до высот ~200 км над Южной Атлантикой. Каждый раз, когда МКС пролетает над ней, экипаж получает повышенную дозу. Некоторые приборы на станции автоматически переходят в защищённый режим при прохождении через САА.

Орбита МКС: 400 км

МКС летит на высоте ~400 км — ниже поясов. Тем не менее, радиация на борту значительно выше, чем на поверхности Земли:

• Природный фон на Земле: ~0,0027 мЗв/сутки (~1 мЗв/год)
• МКС: ~0,7–1 мЗв/сутки (~250–350 мЗв/год)

Источники: галактические космические лучи (ГКЛ) — высокоэнергетические протоны и ядра из-за пределов Солнечной системы — частично проходят через экранировку станции; захваченные частицы при проходе через САА; солнечные протонные события (SPE) во время вспышек на Солнце.

Астронавты, проводящие по 6 месяцев на МКС, накапливают около 150–200 мЗв за миссию. Это в 5–7 раз выше годовой нормы для персонала атомных станций (20 мЗв/год).

Аполлон: прохождение через пояса

Астронавты миссий «Аполлон» в 1969–1972 годах стали первыми людьми, прошедшими через радиационные пояса. Траектория была специально выбрана так, чтобы пересечь их за минимальное время — около 30 минут в общей сложности (туда и обратно).

Суммарные дозы астронавтов «Аполлона» составили 3–18 мЗв на миссию (в зависимости от конкретной миссии и солнечной активности). Аполлон-14 — около 11 мЗв, Аполлон-17 — около 5 мЗв.

Это больше, чем при обычном полёте на МКС того же времени, но значительно меньше допустимых пределов. Существенного радиационного вреда для астронавтов доказано не было.

Если бы во время лунной миссии произошла крупная солнечная вспышка с мощным протонным событием — астронавты на поверхности Луны, где нет магнитной защиты, могли бы получить дозы в десятки Гр. Такой сценарий был бы летальным. Миссии планировались с учётом прогноза солнечной активности.

Почему Марс — принципиально другое

Марс не имеет глобального магнитного поля. Атмосфера там в 100 раз тоньше земной. Это означает, что галактические космические лучи и солнечные протоны практически беспрепятственно достигают поверхности.

Дорога к Марсу: около 7–9 месяцев в одну сторону. Зонд Mars Science Laboratory нёс дозиметр RAD и измерил радиацию во время перелёта: примерно 1,84 мЗв/сутки в межпланетном пространстве. За 9 месяцев — около 500 мЗв только в пути.

На поверхности Марса: RAD зафиксировал около 0,64–1,8 мЗв/сутки (меньше, чем в космосе, благодаря экранировке грунтом снизу и атмосферой). Годовая доза на поверхности — ~300–650 мЗв.

Суммарно за миссию туда-обратно + пребывание (2–3 года): оценки составляют 1–1,5 Зв. Это серьёзная доза.

Как защититься

Вода — один из лучших щитов от ГКЛ: водород эффективно рассеивает высокоэнергетические протоны. Концепции марсианских кораблей предусматривают жилые отсеки, окружённые ёмкостями с водой.

Полиэтилен богат водородом и легче воды — перспективный материал для радиационной защиты.

Предупреждение об SPE: при солнечных вспышках астронавты должны немедленно уходить в наиболее защищённые части корабля. Для марсианской миссии планируется специальный «убежище» с максимальной экранировкой.

Фармакологическая защита — активная область исследований: препараты-радиопротекторы, ускоряющие репарацию ДНК.

Радиация — одна из главных нерешённых технических проблем марсианской экспедиции. Не потому что её нельзя решить в принципе, а потому что это стоит денег и массы дополнительной защиты — а в космосе каждый килограмм имеет цену.