Как космическая радиация угрожает исследованию Луны | Наука

Эта статья была первоначально опубликована на сверхскоплениевеб-сайт, посвященный величайшим космическим историям человечества.

НАСА готовится вернуть астронавтов на поверхность Луны. И на этот раз с более амбициозными целями.

Те миссии, у которого был успешный старт с Artemis-1, заложит основу для многомесячного проживания людей на поверхности Луны. Предлагаемые базовые лагеря предоставят уникальные возможности для тестирования технологий, разгадывания научных секретов о прошлом и настоящем Луны, поиска наличия воды и многого другого.

Но прежде чем наша научно-фантастическая Лунная база станет реальностью, астронавты должны выполнить множество задач на лунной поверхности, включая исследование местности, строительство и добычу ресурсов. Для всех этих задач и операций между ними космическая радиация представляет угрозу для космонавтов, выполняющих их.

Между 1968 и 1972 годами миссии «Аполлон» доставили дюжину астронавтов на Луну и обратно. Но все эти миссии были краткими — самая продолжительная длилась всего около 12 дней. Мы бывали там раньше, но последствия космической радиации до сих пор малоизвестны, и понимание их воздействия на организм человека жизненно важно для многомесячных миссий.

Стрельба из мощных частиц

Магнитное поле и атмосфера Земли защищают ее от опасного излучения и сохраняют жизнь на планете. По сравнению с этим внешние миры, на которые нацелилось человечество, невероятно враждебны. Даже час без надлежащей защиты может быть смертельным, так как заряженные частицы постоянно проходят через кожу человека. Этот рисует мрачную картину для будущих исследований.

Даже наша Луна — опасное пустынное место — лишенное атмосферы и не защищенное от постоянного дождя радиации, испускаемой нашим Солнцем. Помимо Солнца, астронавты подвергаются воздействию и других источников излучения на Луне.

Прежде всего следует рассмотреть галактические космические лучи (ГКЛ), испускаемые взрывающимися звездами в глубоком космосе. И затем есть частицы, созданные в лунном грунте в результате взаимодействия между солнечными энергетическими частицами от Солнца и галактическими космическими лучами. Солнечные частицы менее энергичны, чем галактические космические лучи, «но когда происходит событие с солнечными частицами, их поток может быть намного выше, чем у галактических космических лучей», — сказал Роберт Ф. Виммер-Швайнгрубе из Кильского университета в Германии.

В анналах полетов человека в космос, август 1972 г. незабываем. Серия интенсивных солнечных вспышек происходила с перерывами более недели. Солнечная вспышка — это выброс заряженных частиц с турбулентной поверхности Солнца. Существует пять классов: A, B, C, M и X, размер которых варьируется от самого маленького до самого опасного. Интенсивная солнечная буря 1972 года, представлявшая собой вспышку X-класса, возникла из солнечного пятна под названием MR 11976.

Экипаж «Аполлона-16» приземлился на Землю в апреле, а последний полет «Аполлона-17» был запланирован на декабрь. Потенциальной катастрофы удалось избежать. Астронавты, ступившие на лунную поверхность, погибли бы от радиации, а ярость бури ощущалась и на Земле — она нарушила энерго- и коммуникационные сети в нескольких частях Северной Америки.

Опасный проход

Космическое излучение представляет опасность не только на поверхности, но и в пути туда и обратно. Вокруг Земли существуют опасные радиационные кольца, пояса Ван Аллена, состоящие из сильно заряженных частиц, захваченных магнитными полями планеты. Чем больше времени вы проведете через эти пояса, тем выше риск радиационного отравления.

Есть два радиационных кольца. Первый начинается на высоте 600 км и простирается до 6000 км. Второе смертельное кольцо простирается на высоте от 10 000 до 65 000 километров над Землей. Интенсивность последних только усиливается по мере того, как бушуют солнечные бури. К счастью, космическая станция остается нетронутой и защищенной на низкой околоземной орбите на высоте 230 миль, но хотя наши лунные космические корабли предназначены для защиты их экипажа, поток смертоносных частиц все еще может просачиваться внутрь.

Так как же ранним миссиям «Аполлон» удавалось перемещаться по этой сложной области? Скорость. Прошлые миссии «Аполлон» следовали по узкой траектории, чтобы избежать наиболее радиоактивной части поясов, и проходили с высокой скоростью. Ученые определили оптимальную скорость для космического корабля с экипажем примерно в 25 000 км/ч с общим временем прохождения 68,1 мин..

Радиоактивные пекарские дрожжи

В эту новую космическую эру страх перед радиацией все еще маячит. И нужны новые ответы. Миссия Artemis-1 проводила манекены и другие биологические эксперименты для изучения воздействия.

Клетки дрожжей, летающие в ходе миссии, требуют минимального ухода за такими факторами, как вода, температура или питательные вещества. Дрожжи действуют как модельный организм в исследованиях повреждения ДНК, и их реакция хорошо изучена. Почти идеальным аналогом генов человека являются пекарские дрожжи (сахаромицеты церевисиае). Этот одноклеточный микроорганизм может дать информацию о том, как живые организмы справляются с опасным космическим излучением.

Эксперимент пытается разгадать сложные загадки, связанные с космической радиацией. Какое влияние заряженные частицы оказывают на ДНК, клетки и ткани человека? Какая степень повреждения ДНК существует? Какие гены были устойчивы к радиации?

Питер Гуида, биолог НАСА, объясняет в утверждение: «Основания ДНК (аденин, гуанин, цитозин и тимин) также могут быть нокаутированы. Ячейка предпримет попытку восстановить эти повреждения. Иногда это эффективно, а иногда нет, а иногда это может быть неправильно отремонтировано. Гены, которые были неправильно восстановлены, могут стать мутациями, и накопление этих мутаций с течением времени потенциально может привести к раку».

Чтобы изучить это накопление, коллекция дрожжевых клеток со штрих-кодом отправилась на Луну и обратно. Предполагалось, что дрожжевые клетки будут расти и делиться на протяжении всей миссии после того, как образцы будут запущены в космос и удаленно активированы добавлением воды.

После возвращения Ориона на Землю ученые из Университета Британской Колумбии получат образцы для проведения лабораторных исследований. Как только гены будут идентифицированы, ученые смогут использовать эту информацию для разработки лекарств или методов лечения, которые могут выдерживать радиационные удары и снижать вероятность неблагоприятных последствий для здоровья.

Между тем, еще один эксперимент по биологии дальнего космоса доставит больше образцов дрожжей на орбиту вокруг Солнца примерно на шесть-девять месяцев. BioSentinel — CubeSat размером с обувную коробку, — который также прицепился к Artemis-1. В эксперименте используется новый биосенсор для изучения того, как живые дрожжевые клетки реагируют и адаптируются к длительному воздействию. Ученые будут отслеживать эксперимент в режиме реального времени через сеть Deep Space Network НАСА.

Сколько слишком много?

Событие 1972 года иногда используется в качестве ориентира для понимания «что, если» отправки астронавтов на Луну. Космонавты испытали бы лучевую болезнь, как минимум, если бы они подверглись воздействию этих смертельных доз радиации.

По данным НАСА, стандартная доза облучения человека на Земле составляет около 0,0036 Зв/год (0,36 рад). Астронавты Аполлона получили средний уровень радиации доза на коже 0,38 рад — эквивалентно двум КТ головы. Общий, Аполлон-14 получил кожную дозу 1,14 рад., который был самым высоким. Все это в миссиях не более 12 дней.

Суточная доза радиации на поверхности Луны может быть значительно выше во время более длительной миссии, и ее невозможно определить количественно с Земли. Чтобы узнать, на какой высоте, Лунный посадочный модуль нейтронно-дозиметрический (LND), на борту китайского лунного посадочного модуля Chang’E 4, побывал на Луне. LND зафиксировал первые в истории измерения уровня радиации на Луне.

По оценкам, астронавты в скафандрах будут подвергаться примерно 60 микрозивертам радиации каждый час. В целом, уровень облучения может достигать в 150 раз выше, чем на Земле.

Задумывались ли вы когда-нибудь о допустимом пределе воздействия космического излучения на человека? «На самом деле мы этого не знаем», — говорит соавтор исследования LND доктор Виммер. «У нас еще нет опыта работы с радиацией дальнего космоса, существуют разные способы воздействия радиации на наше тело и разные части нашего тела».

Женское тело более уязвимо

Без какой-либо защиты у космонавтов чаще возникают как острые, так и хронические проблемы со здоровьем, такие как катаракта и болезни сердца. Кроме того, они могут страдать от кратковременной лучевой болезни и риска развития рака в долгосрочной перспективе.

Основываясь на возрасте и поле человека, НАСА оценило пределы подверженности карьере. Предположительно, первые космонавты могут подвергаться более высокому риску для здоровья в более позднем возрасте из-за радиационного облучения. И исследования показали, что женщины могут быть более уязвимы к радиации.

«Женщины имеют гораздо более высокий риск рака от радиации из-за дополнительных рисков рака молочной железы (один из самых высоких), рака яичников и матки. У мужчин риск рака предстательной железы появляется из-за радиационного облучения, однако он имеет низкую вероятность летального исхода», — сказал профессор Фрэнсис Кучинотта, эксперт в области радиационной биологии из Университета Невады в Лас-Вегасе, в ответе по электронной почте Supercluster.

Вот почему НАСА впервые провело эксперимент, чтобы понять влияние радиации на женский организм. Поскольку НАСА работает над отправкой в ​​космос женщины-астронавта, этот эксперимент имеет решающее значение.

Манекены «Артемида-1» по имени Зохра и Хельга были разработаны для измерения и проверки воздействия радиации на внутренние органы. Повреждение внутренних органов зависит от поглощенной энергии, плотности частиц и времени, проведенного вне защитной среды обитания.

На этих манекенах было размещено 34 детектора и более 5000 датчиков для измерения уровня радиации во время полета Ориона. Манекены, изготовленные из эпоксидной смолы, копируют кости, мягкие ткани и органы взрослой женщины.

На одном из манекенов был новенький радиационный жилет AstroRad. Основная цель жилета – защитить чувствительные органы от солнечных частиц. В ходе этого испытательного полета ученые узнают больше об эффективности пояса, а также о том, как он защищает внутренние органы, противопоставляя два предмета. Эксперимент известен как радиационный эксперимент Matroshka AstroRad (MARE). Датчики радиации, встроенные в Orion, контролировали уровни радиации на протяжении всего полета, особенно в тех местах, где они самые высокие.

Ожидается, что результаты этого эксперимента будут опубликованы в ближайшее время.

Лунная защита

Artemis Orion был разработан с набором функций для защиты как людей, так и оборудования в наихудшем сценарии. Вещевой мешок или другой материал, найденный на борту, может быть использован для создания временного укрытия от радиации внутри космического корабля.

Согласно НАСА, экипажу, возможно, придется остаться в этом штормовом убежище как минимум на день. Экстремальная космическая погода не помешала бы экипажу выполнять «критическую миссию» благодаря защитным жилетам от радиации.

В периоды сильной солнечной активности астронавты потенциально могут построить защищенную среду обитания, используя местные ресурсы, такие как лунный грунт, грязь и камни. Например, стены толщиной около одного метра могут быть построены с помощью 3D-печати строительных блоков из лунной пыли (реголита).

«Еще один способ построить защищенную среду обитания — просто «насыпать грязь» на прочную конструкцию, способную выдержать ее вес», — предлагает доктор Виммер. Кроме того, было бы полезно прогнозировать космическую погоду и выпускать ранние штормовые предупреждения для пребывания дольше месяца.

Первая миссия Artemis считается первоначальным успехом, поскольку мы ждем опубликованных результатов различных экспериментов. Если дела пойдут хорошо со следующими несколькими миссиями Artemis с экипажем, НАСА скоро будет готовиться к следующему радиационному вызову человечества: Марсу.

Рекомендуемые видео