Как защитить космонавтов от смертельной радиации во время полета на Марс

Солнце бомбардирует пространство жестким ультрафиолетом, рентгеновскими и гамма-лучами. Добавьте к этому постоянный поток частиц солнечного ветра и случайные, но чудовищно энергичные «снаряды» из глубин Галактики. Некоторые из этих частиц разгоняются до околосветовых скоростей и могут прошить насквозь практически любой физический экран. Не самая гостеприимная среда для путешествий, согласны?

От всего этого нас оберегает атмосфера и магнитосфера Земли. Интересно, что само магнитное поле планеты создает ловушки — радиационные пояса, где накапливаются захваченные частицы. Пролет через них для космонавтов крайне опасен.

Невидимая угроза, о которой мы мало думали

Радиация — главный сдерживающий фактор для экспансии в Солнечную систему. До сих пор мы с ней толком не сталкивались: МКС летает низко, под защитой земного магнита, а в случае солнечной бури экипаж прячется в более защищенных отсеках. Но полет на Луну — это уже другой уровень. Придется пересекать радиационные пояса и постоянно быть начеку, ведь мощная солнечная вспышка может накрыть корабль в любой момент.

Астронавтам «Аполлонов» просто повезло — они разминулись с крупными солнечными бурями. Но строить программу колонизации Луны, полагаясь лишь на удачу, — чистое безумие.

К счастью, самый смертоносный галактический фон относительно редок, а жесткое солнечное излучение экранировать проще. Основная опасность у Луны — частицы солнечного ветра. Для будущих полетов на корабле Orion уже готовятся контрмеры. Например, специальный жилет AstroRad, защищающий жизненно важные органы. Его эффективность проверяли на манекене Zohar во время беспилотного облета Луны в 2022 году.

Кроме того, корабль будет получать оперативные данные о солнечной активности и мониторить радиацию своими датчиками. В случае угрозы астронавтам придется сгрудиться в центре модуля, обложившись мешками с припасами и водой, которые послужат дополнительным барьером. Примитивно, но для короткой лунной миссии — работает.

Марс: где простые решения не работают

Но Луна — это всего 10 дней в пути. А путешествие на Марс туда и обратно займет годы. Все это время экипаж будет купаться в потоке космических лучей, неумолимо накапливая смертельную дозу. По стандартам NASA допустимый предел — 600 миллизивертов. Полёт же к Марсу «наградит» каждого 1200 мЗв. Нужно снизить воздействие как минимум вдвое!

Компания SpaceX в проекте Starship предлагает пассивную защиту: баки с водой вокруг жилого модуля. Хорошая идея против солнечного ветра, но против высокоэнергетических галактических лучей она может сработать в обратную сторону! Столкнувшись с водой, такая частица породит ливень вторичного излучения, которое нанесет еще больший вред. Парадоксально, но иногда защита может убить.

Магнитный щит: мечта из 60-х

На Земле нас спасает магнитное поле. Что, если взять его с собой? Создать вокруг корабля невидимый кокон, отклоняющий заряженные частицы. Эту идею в NASA рассматривали еще 60 лет назад! Расчеты показывали, что это возможно, но технологии того времени — сверхпроводящие магниты, криогеника — были слишком примитивны.

Прорыв случился в 90-х, когда для изучения космических лучей на МКС установили магнитный альфа-спектрометр (AMS). Его сверхпроводящий магнит, созданный в CERN, охлаждался до температуры, близкой к абсолютному нулю. И он отлично отклонял частицы! Ученые из Европейского космического агентства подумали: а что, если масштабировать эту технологию до размеров целого корабля?

Гигантский МРТ для космонавтов

Так родился проект SR2S — гигантский полый цилиндр из сверхпроводящих катушек. Жилой модуль должен был располагаться внутри, как пациент в аппарате МРТ. Звучит круто, но есть нюансы. Мощные магниты пытаются разорвать сами себя, нужны массивные опоры. А опоры, в свою очередь, становятся источником вторичной радиации. Замкнутый круг.

В итоге проект «потянул» на сотни тонн — неподъемно даже для самых мощных ракет. Ученым пришлось искать другую конфигурацию. Современный подход — это несколько компактных магнитов, расположенных вокруг модуля в виде так называемой сборки Халбаха. Они создают мощное поле только с одной стороны, экономя массу. Форма поля напоминает тыкву.

Проект CREW HaT — это восемь внешних катушек из современного сверхпроводника ReBCO, которые не требуют экстремального охлаждения. Расчетная масса — около 25 тонн, а отклонять она сможет до 70% опасных частиц. Проблема? Энергопотребление. Целых 60 киловатт — как у всей МКС. Для межпланетного корабля это пока непозволительная роскошь.

Электростатическая защита: высокое напряжение в вакууме

А что, если использовать не магнитное, а электрическое поле? Ведь любой заряд создает вокруг себя поле, способное отталкивать частицы. Задача — получить в космосе устойчивое поле с напряжением в сотни миллионов вольт. Кажется нереальным?

Ученые из NASA нашли хитрую конфигурацию, которая снижает радиацию на 15%, а солнечный ветер — в два раза, требуя «всего» миллиона вольт. Они уже испытали прототип — металлическую сетку вокруг макета модуля — на ускорителе частиц. Теперь работают над тем, чтобы снизить необходимое напряжение.

Гонка технологий продолжается. Одни команды совершенствуют «сверхпроводниковые тыквы», другие — электростатические сети. Истина, как всегда, где-то посередине. Ясно одно: без принципиально нового щита человечество не шагнет дальше лунной орбиты. Вопрос лишь в том, какая из этих фантастических идей первой покинет стенды лабораторий и отправится к звездам.