Роскосмос вместо МКС хочет построить собственную пилотируемую станцию на полярной орбите.
Возможно ли это с точки зрения радиационной безопасности? 
Практически сразу после решения всех проблем со стыковкой модуля «Наука» с Международной космической станцией в Роскосмосе обсуждено будущее отечественной пилотируемой космонавтики.
Научно-технический совет решил, что старение российского сегмента МКС после 2024 года создает дополнительные риски, поэтому необходимо построить новую станцию РОСС.
Сегодня рассматриваются два варианта ее размещения — в составе МКС, в качестве замены нынешнего российского сегмента или национальной станции на полярной орбите.
Последний вариант ставит вопрос: не принесут ли астронавтам вреда заряженные частицы, порождающие полярные сияния?
▍ Что такое космическое излучение?
Космическое излучение – это ионизирующее излучение, возникающее за пределами Земли.Это могут быть фотоны высоких энергий (рентгеновские и гамма-лучи), электроны, субатомные частицы, протоны (атомные ядра водорода) и более тяжелые атомные ядра.
Это излучение возникает там, где активно идут ядерные или термоядерные реакции или выделяется много энергии, например, в недрах звезд, в сверхновых, в аккреционных дисках черных дыр, в ядрах активных галактик, в ударных волнах.
межзвездного газа.
Звезды в этом списке - самые слабые и тихие источники радиации, но Солнце находится к нам гораздо ближе остальных, поэтому часто можно услышать, что именно оно представляет главную угрозу в космических полетах.
Космическое излучение разделяется на солнечное и галактическое, в зависимости от того, с какого направления оно пришло.
В отличие от солнечного, галактический приходит отовсюду.
Иногда космическое излучение называют космическими лучами, но здесь надо понимать, что под лучами мы подразумеваем не свет (фотоны), а материю — электроны, атомные ядра и продукты их деления, летящие со скоростью десятков или сотен тысяч километров в секунду.
то есть е.
близка к скорости света.
Чем выше скорость частиц, тем выше их энергия.
Существуют также солнечные заряженные частицы низкой энергии, скорость которых составляет от сотен до двух тысяч километров в секунду, они называются солнечным ветром и не считаются излучением.
Фотоны могут путешествовать в космическом вакууме миллиарды лет, и только гравитационные поля могут влиять на их траекторию.
В отличие от фотонов, частицы с электрическим зарядом также подвергаются воздействию магнитных полей.
Это могут быть галактические магнитные поля, солнечная или земная магнитосфера.
Чем выше энергия частицы, тем меньшее воздействие на нее оказывает магнитное поле и тем ближе ее траектория к прямой.
Магнитное поле Солнца отклоняет и рассеивает приходящие извне заряженные частицы, поэтому до Земли достигают только галактические космические лучи высоких энергий.
Они достаточно редки по сравнению с солнечными, но их энергия на порядки выше.
Поток солнечных заряженных частиц гораздо плотнее, но энергия большинства из них значительно ниже, поэтому с ними эффективно взаимодействуют как магнитное поле Земли, так и обшивка космических кораблей.
Солнечные заряженные частицы — это в основном электроны, протоны и альфа-частицы (ядра атома гелия).
Частицы самой низкой энергии не могут преодолеть магнитное поле Земли и обтекают нашу планету на расстоянии нескольких тысяч километров.
Поэтому часто можно встретить утверждения о том, что от космического излучения мы защищены магнитным полем Земли, хотя это верно только для космических лучей низкой и средней энергии и солнечного ветра.
Заряженные частицы высокой энергии, например, исходящие от солнечных протонов или галактических лучей, способны «пробить» магнитную защиту Земли и поглощаться нашей атмосферой.
В такие моменты на Земле датчики регистрируют увеличение потока вторичное излучение неба , там уже могут быть и гамма, и электроны, и нейтроны и продукты деления атомных ядер, но всё это генерируется в воздухе.
Таким способом можно изучать космическое излучение Земли, но это сложно, во многом так же, как изучать камни, брошенные в воду кругами по воде.
Поэтому астрофизики активно запускают в космос датчики заряженных частиц и космические телескопы .
Как только первые дозиметры полетели в космос, выяснилось, что распределение заряженных частиц вокруг Земли неравномерно.
Так люди узнали о радиационных поясах.
▍ Что такое радиационные пояса?
Как говорилось выше, заряженные частицы низкой энергии просто летают вокруг Земли, «отталкиваясь» от магнитного поля Земли, частицы высокой энергии поглощаются атмосферой, но есть и средняя категория, которая захватывается магнитосферой Земли.Вот тут-то и начинаются проблемы для околоземной космонавтики.
Магнитное поле Земли собирает захваченные частицы в два пояса: внешний электрон и внутренний протон.
Внешний радиационный пояс состоит в основном из электронов и протонов средней энергии и распространяется на расстояние в несколько радиусов Земли.
Часть протонов достигает внутреннего радиационного пояса, на расстоянии примерно радиуса Земли, но основным источником протонов во внутреннем радиационном поясе является вторичное излучение, выбиваемое галактическими лучами из земной атмосферы.
Из-за этого внешний радиационный пояс сильно взаимодействует с солнечным ветром, а внутренний реагирует только на многолетние солнечные циклы.
В 60-е годы люди даже смогли создать искусственные радиационные пояса, когда американцы сделали высотные ядерный тесты .
Неслучайно радиационную оболочку Земли называют поясами, а их плотность напрямую зависит от формы магнитного поля.
На экваторе магнитные линии примерно параллельны земной поверхности, а у полюсов они уходят вглубь земли.
Эта разница определяет и защитную функцию магнитного поля — чем дальше от экватора, тем легче космическим лучам достичь плотных слоев атмосферы.
Поэтому низкая околоземная орбита вблизи экватора является наиболее защищенной от космического излучения, пока она проходит ниже протонного радиационного пояса.
В то же время протонно-радиационный пояс является основной причиной прижатия к Земле современных пилотируемых кораблей и станций.
Радиация там на порядки превышает условия, существующие на высоте 400 км, где летает МКС.
Самая большая высота полета почти за полвека не превышала 630 км, когда «Шаттл» летал на ремонт телескопа «Хаббл».
А во время лунных полетов «Аполлонов» однократное пересечение внутреннего радиационного пояса увеличивало общую дозу для экспедиции вдвое, т.е.
за полчаса в радиационном поясе экипаж в корабле и скафандрах облучался, как за неделю в межпланетном пространстве.
и на поверхности Луны.
▍ Как обстоят дела с космической радиацией на МКС?
Наклонение орбиты Международной космической станции в 51,6 градуса — это достаточно далеко от экватора, т. е.идеальная радиационно-защищенная орбита.
Здесь действуют политические и технические причины – только при таком наклоне можно запускать корабли с Байконура, чтобы ступени ракеты не упали в Китай.
Радиационные исследования на МКС ведутся уже давно, а некоторые продолжаются еще со станции «Мир».
В России этим активно занимается Институт медико-биологических проблем, в зону ответственности которого входит здоровье космонавтов, а также Институт ядерной физики МГУ, контролирующий радиационную обстановку.
Благодаря многолетним данным можно узнать, например, как менялась средняя доза в зависимости от одиннадцатилетнего солнечного цикла или от высоты полета станции.
Например, переход с 360-километровой орбиты на 410-километровую позволил существенно снизить расход топлива на поддержание орбиты, но увеличил дозу экипажа примерно на 20%.
Не вдаваясь в подробности, стоит сказать, что средняя доза космонавта на МКС за шестимесячную экспедицию примерно равна средняя доза ликвидатор Чернобыльской катастрофы.
А это примерно шестая часть максимально допустимой дозы за всю карьеру космонавта.
Уровень радиации на МКС может колебаться примерно на 30% в зависимости от расположения кабины космонавта, высоты орбиты и солнечной активности (чем выше активность, тем меньше доза).
Исследования показывают, что двумя основными факторами облучения экипажа на орбите МКС являются протоны нижнего радиационного пояса и галактические космические лучи.
Солнечные вспышки во время измерений добавляли несколько процентов к общей дозе.
Электроны из внешнего радиационного пояса вносят столь малый вклад в облучение экипажа, что их даже не учитывают при измерениях внутри станции.
Это может оказаться неожиданным фактом для многих, кто придерживается стереотипа о солнечных вспышках как об основном источнике радиационной опасности в космосе.
Фактически из-за радиационных поясов поглощенная доза экипажа станции на низкой околоземной орбите примерно равна дозе на поверхности Марса, которая не имеет магнитного поля и атмосфера экранирована примерно так же, как и корпус станции.
Проблема в том, что магнитное поле Земли содержит неоднородности, поэтому в районе Южной Атлантики и Бразилии часть «подковы» (если смотреть в профиль) протонного радиационного пояса прижата вплотную к атмосфере.
Когда МКС пролетает над Бразилией, внутренний фон подскакивает в десять раз, и таких пересечений происходит около шести в день.
Датчики заряженных частиц, установленные на МКС, позволяют построить такую карту околоземного излучения.
Здесь хорошо видно пятно Южно-Атлантической аномалии и рост радиации ближе к полюсам.
▍ Что ждет станцию на полярной орбите?
Один из вариантов будущей Российской орбитальной станции обслуживания (РОСС) предполагает высоту около 360 км и наклонение орбиты 97 градусов, что означает, что станция будет летать практически через экваториальную плоскость.По такой орбите, только выше, уже летали спутники с датчиками заряженных частиц.
Если вы посмотрите на карты, которые они создали, то увидите, что к Южно-Атлантической аномалии добавляются еще две полосы.
По сути, это места погружения в Землю магнитных линий внешнего радиационного пояса, близких (но не совпадающих) с кольцами полярных сияний, просто превращенных в картографическую проекцию.
Глядя на эту карту, становится очевидным, что доза на такой орбите увеличится, ведь станция будет пересекать эти полосы не шесть раз в день, а четыре раза на каждом витке.
А Южно-Атлантическая аномалия никуда не исчезает, хотя продолжительность пребывания в ней сокращается.
Конечно, ребята из Роскосмоса не забыли о космическом излучении, и ИМБП уже провел соответствующие расчеты.
Этим летом на международной конференции GLEX руководитель лаборатории радиационного контроля при космических полетах Вячеслав Шуршаков представлен Расчеты дозы на полярной орбите РОСС.
Вывод неожиданный - при отсутствии солнечных вспышек средняя доза на высоте 400 км увеличится всего в 1,4 раза по сравнению с МКС, причем не за счет радиационных поясов, а главным образом за счет галактических космических лучей.
Поскольку защитные возможности магнитного поля Земли на полюсах падают почти до нуля, галактические лучи и протоны солнечных вспышек могут беспрепятственно бомбардировать нашу Землю.
Мурманчанам по этому поводу можно не беспокоиться, ведь их, как и всех землян, защищает наша настоящая броня – атмосфера.
Но космонавтам будет хуже.
▍ Насколько опасны полярные сияния для экипажа?
Теперь подытожим все факты.В период солнечного затишья, когда нет вспышек, многократные пролеты через области выхода внешнего радиационного пояса в атмосферу не представляют заметной опасности.
Это связано с тем, что этот пояс заполнен легкими электронами в большей степени, чем протонами.
Именно электроны дают то прекрасное сияние, которое доступно жителям и гости Арктического региона .
Протоны также могут вызывать атмосферное свечение, но бразильские полярные сияния пока никто не наблюдал по простой причине – протонные полярные сияния видны только в ультрафиолетовом свете.
Даже самые энергичные электроны поглощены корпус станции, и способны создавать проблемы только во время выходов в открытый космос.
Ситуация может существенно ухудшиться во время солнечных вспышек.
Специалисты ИМБП утверждают, что стоит обеспечить экипаж дополнительными средствами защиты спальных и рабочих помещений.
Это может быть так же просто, как изменить планировку станции, чтобы люди были окружены как можно большим количеством оборудования.
Например, теперь в модуле «Звезда» условная «столовая» защищена от воздействия радиационных поясов.
почти в два раза лучше чем рабочее место.
Также можно установить специальную дополнительную защиту.
Тяжелые материалы, такие как свинец, не считаются защитными материалами, поскольку дают сильное вторичное излучение.
Водородсодержащие материалы, такие как вода или полиэтилен, считаются эффективными.
На МКС уже проходит эксперимент «Защитный занавес», где.
влажные салфетки используются в качестве противорадиационной защиты кабины космонавта.
Оказалось, что благодаря салфеткам радиационный фон в салоне уменьшился на 30%.
Тот, кто хочет посмеяться над идеей прикрыться салфетками от радиации, должен учитывать, что их общая масса составляла около 70 кг.
Еще одним важным фактором, позволяющим несколько снизить дозу на полярной орбите, является высота полета станции; это будет примерно на 50 км ниже МКС, как когда-то летала станция «Мир».
Исследование ИМБП не касается выходов астронавтов в открытый космос.
Оболочка скафандра гораздо тоньше, чем у космической станции, но даже она уменьшает дозу вдвое по сравнению с «голым» выходом.
Вероятно, продолжительность внекорабельной активности на полярной орбите придется ограничить в полтора-два раза и более внимательно следить за солнечной активностью.
Но в любом случае летать можно!
Выражаю благодарность за помощь в подготовке материала Вячеслав Шуршаков (ИМБП РАН) и Давид Парунакян с Ильей Кудряшовым (НИИЯФ МГУ).
Теги: #Популярная наука #Космонавтика #здоровье #Будущее здесь #ruvds_articles #ruvds_articles #МКС #космическая радиация #РОСС #РОСС #радиационные пояса #пояса Ван Аллена
-
24 Января – Макинтошу Сегодня 25!
19 Oct, 24 -
Госдума Приняла Закон О Запрете Смс-Спама
19 Oct, 24
