Главная » Красота » Жесткое космическое излучение. Радиация и космос: что нужно знать? («Радиационные» секреты, которые скрывает космическое пространство)

Жесткое космическое излучение. Радиация и космос: что нужно знать? («Радиационные» секреты, которые скрывает космическое пространство)

Кто же не мечтал о полётах в космос, даже зная, что такое космическая радиация? Хотя бы на орбиту Земли или на Луну улететь, а ещё лучше - подальше, на Орион какой-нибудь. На самом деле, человеческий организм очень мало приспособлен к подобным путешествиям. Даже при полёте на орбиту космонавты сталкиваются со многими опасностями, угрожающими их здоровью, а иногда и жизни. Все смотрели культовый сериал "Звёздный путь". Один из замечательных персонажей там дал очень точную характеристику такому явлению, как космическая радиация. "Это опасности и болезни во тьме и безмолвии" - сказал Леонард Маккой, он же Костлявый, он же Костоправ. Точнее выразиться очень трудно. Космическая радиация в путешествии сделает человека усталым, слабым, больным, страдающим от депрессии.

Ощущения в полёте

Человеческий организм к жизни в безвоздушном пространстве не приспособлен, поскольку эволюция не включала в свой арсенал такие способности. Об этом написаны книги, этот вопрос во всех подробностях изучается медициной, созданы во всём мире центры, исследующие проблемы медицины в космосе, в экстремальных условиях, на больших высотах. Конечно, забавно смотреть, как улыбается на экране космонавт, вокруг которого плавают в воздухе различные предметы. На самом деле, его экспедиция гораздо более серьёзна и чревата последствиями, чем представляется простому жителю с Земли, и здесь не только космическая радиация создаёт неприятности.

По просьбе журналистов астронавты, инженеры, учёные, на собственном опыте испытавшие всё, что происходит с человеком в космосе, рассказали о последовательности разнообразных новых ощущений в чуждой для организма искусственно созданной среде. Буквально через десять секунд после начала полёта неподготовленный человек теряет сознание, потому что ускорение космического аппарата возрастает, отделяя его от пускового комплекса. Человек пока не так сильно, как в открытом космосе, ощущает космические лучи - радиация поглощается атмосферой нашей планеты.

Основные неприятности

Но хватает и перегрузок: человек становится раза в четыре тяжелее собственного веса, в кресло его буквально вдавливает, даже рукой пошевелить трудно. Все видели эти специальные кресла, например, в космическом аппарате "Союз". Но не все поняли, почему у космонавта такая странная поза. Однако она необходима, потому что перегрузки отправляют почти всю кровь в организме вниз, в ноги, и мозг остаётся без кровоснабжения, отчего и случаются обмороки. Но изобретённое в Советском Союзе кресло помогает избежать хотя бы этой неприятности: поза с приподнятыми ногами заставляет кровь снабжать кислородом все участки головного мозга.

Через десять минут после начала полёта отсутствие гравитации заставит человека почти утратить чувство равновесия, ориентацию и координацию в пространстве, человек даже движущиеся объекты может не отследить. Его тошнит и рвёт. То же самое могут вызвать и космические лучи - радиация здесь уже значительно сильнее, а если случается выброс плазмы на солнце, угроза жизни космонавтов на орбите реальна, даже пассажиры авиалайнеров могут пострадать в полёте на большой высоте. Изменяется зрение, случаются отёк и изменения на сетчатке глаз, глазное яблоко деформируется. Человек становится слабым и не может выполнять задачи, которые перед ним стоят.

Загадки

Однако время от времени люди ощущают и на Земле высокую космическую радиацию, им для этого совершенно не обязательно бороздить космические просторы. Нашу планету постоянно бомбардируют лучи космического происхождения, и учёные предполагают, что далеко не всегда наша атмосфера обеспечивает достаточную защиту. Есть множество теорий, которые наделяют эти энергетические частицы такой силой, которая значительно ограничивает шансы планет на возникновение жизни на них. Во многом природа этих космических лучей всё ещё является для наших учёных неразрешимой загадкой.

Субатомные заряженные частицы в космосе движутся практически со скоростью света, их уже зарегистрировали неоднократно и на спутниках, и даже на Это ядра химических элементов, протоны, электроны, фотоны и нейтрино. Также не исключается присутствие в атаке космической радиации частиц - тяжёлой и сверхтяжёлой. Если бы удалось их обнаружить, был бы разрешён целый ряд противоречий в космологических и астрономических наблюдениях.

Атмосфера

Что нас защищает от космической радиации? Только наша атмосфера. Угрожающие гибелью всему живому космические лучи сталкиваются в ней и генерируют потоки других частиц - безвредных, в том числе и мюонов, значительно более тяжёлых родственников электронов. Потенциальная опасность всё-таки существует, поскольку некоторые частицы достигают поверхности Земли и проникают на многие десятки метров в её недра. Уровень радиации, который получает любая планета, показывает пригодность или непригодность её для жизни. Высокая которую несут с собой космические лучи, намного превышает излучение от собственной звезды, потому что энергия протонов и фотонов, например, нашего Солнца - ниже.

А с высокой жизнь невозможна. На Земле эта доза контролируется силой магнитного поля планеты и толщиной атмосферы, именно они значительно уменьшают опасность космической радиации. Например, на Марсе вполне могла бы быть жизнь, но атмосфера там ничтожно мала, собственного магнитного поля нет, а значит нет и защиты от космических лучей, которые пронизывают весь космос. Уровень радиации на Марсе огромен. А влияние космической радиации на биосферу планеты таково, что всё живое на ней погибает.

Что важнее?

Нам повезло, у нас есть и толща атмосферы, окутывающая Землю, и собственное достаточно мощное магнитное поле, поглощающее зловредные частицы, долетевшие до земной коры. Интересно, чья защита для планеты работает активнее - атмосферы или магнитного поля? Исследователи экспериментируют, создавая модели планет, снабжая их магнитным полем или не снабжая. И само магнитное поле отличается у этих моделей планет по силе. Ранее учёные были уверены, что именно оно является главной защитой от космической радиации, поскольку контролируют её уровень на поверхности. Однако обнаружилось, что количество облучения определяет в большей степени толщина атмосферы, которая укрывает планету.

Если на Земле "отключить" магнитное поле, доза облучения вырастет всего в два раза. Это очень много, но даже на нас отразится довольно малоощутимо. А если оставить магнитное поле и убрать атмосферу до одной десятой общего её количества, тогда доза возрастёт убийственно - на два порядка. Страшная космическая радиация убьёт на Земле всё и вся. Наше Солнце - желтая карликовая звезда, именно вокруг них планеты считаются основными претендентами на обитаемость. Это звёзды относительно тусклые, их много, около восьмидесяти процентов от общего количества звёзд в нашей Вселенной.

Космос и эволюция

Теоретики подсчитали, что такие планеты на орбитах желтых карликов, которые находятся в зонах, пригодных для жизни, имеют гораздо более слабые магнитные поля. Особенно этим отличаются так называемые супер-Земли - большие скалистые планеты массой в десять раз больше нашей Земли. Астробиологи были уверены, что слабость магнитных полей значительно снижает шансы на пригодность для жизни. И теперь новые открытия говорят о том, что это не настолько масштабная проблема, как привыкли думать. Главное - была бы атмосфера.

Учёными всесторонне изучается влияние возрастающего излучения на существующие живые организмы - животных, а также на разнообразные растения. Связанные с радиацией исследования заключаются в том, что их подвергают облучению в разной степени, от малых до предельных, и затем определяют - выживут ли они и насколько иначе будут себя чувствовать, если выживут. Микроорганизмы, на которые влияет постепенно возрастающая радиация, возможно, покажут нам, как происходила на Земле эволюция. Именно космические лучи, высокая радиация их когда-то заставили будущего человека слезть с пальмы и заняться изучением космоса. И больше уже никогда человечество на деревья не вернётся.

Космическая радиация 2017 года

В начале сентября 2017-го вся наша планета была сильно встревожена. Солнце внезапно выбросило тонны солнечного вещества после слияния двух больших групп тёмных пятен. И этот выброс сопровождался вспышками класса Х, которые заставили магнитное поле планеты работать буквально на износ. Последовала большая магнитная буря, вызвавшая недомогания у многих людей, а также исключительно редкие, практически небывалые природные явления на Земле. Например, под Москвой и в Новосибирске были зафиксированы мощные картины северного сияния, никогда не бывавшие в этих широтах. Однако красота таких явлений не заслонила последствия убийственной солнечной вспышки, пронизавшей планету космической радиацией, которая оказалась по-настоящему опасна.

Мощность её была близка к максимальной, Х-9,3, где буква - класс (экстремально большая вспышка), а число - сила вспышки (из десяти возможных). Вместе с этим выбросом появилась угроза отказа систем космической связи и всей техники, находящейся на Космонавты были вынуждены пережидать этот поток страшной космической радиации, которую несут космические лучи, в специальном убежище. Качество связи в эти двое суток значительно ухудшилось и в Европе, и в Америке, именно там, куда был направлен поток заряженных частиц из космоса. Примерно за сутки до момента, когда частицы достигли поверхности Земли, было сделано предупреждение о космической радиации, которое прозвучало на всех континентах и в каждой стране.

Мощь Солнца

Энергия, выбрасываемая нашим светилом в окружающее космическое пространство, поистине огромна. В течение нескольких минут в космос улетают многие миллиарды мегатонн, если считать в тротиловом эквиваленте. Человечество столько энергии сможет выработать современными темпами только за миллион лет. Всего лишь пятая часть всей энергии, излучаемой Солнцем в секунду. И это наш маленький и не слишком горячий карлик! Если только представить себе, сколько губительной энергии вырабатывают остальные источники космической радиации, рядом с которыми наше Солнышко покажется практически невидимой песчинкой, голова пойдёт кругом. Какое счастье, что у нас хорошее магнитное поле и отличная атмосфера, которые не дают нам погибнуть!

Люди ежедневно подвергаются такой опасности, поскольку радиоактивное излучение в космосе никогда не иссякает. Именно оттуда к нам приходит большая часть радиации - из чёрных дыр и от скоплений звёзд. Она способна убивать при большой дозе облучения, а при малой - делать из нас мутантов. Однако нужно помнить и то, что эволюция на Земле произошла благодаря таким потокам, радиация изменила структуру ДНК до того состояния, которое мы наблюдаем сегодня. Если же перебрать этого "лекарства", то есть, если испускаемая звёздами радиация превысит допустимые отметки, процессы будут необратимы. Ведь если существа мутируют, к первоначальному состоянию они уже не вернутся, нет здесь никакого обратного эффекта. Поэтому мы уже никогда не увидим те живые организмы, которые присутствовали в новорождённой на Земле жизни. Любой организм пытается подстроиться под изменения, происходящие в окружающей среде. Или погибает, или подстраивается. Но обратной дороги нет.

МКС и солнечная вспышка

Когда Солнце послало нам свой приветик с потоком заряженных частиц, МКС как раз проходила между Землёй и светилом. Высокоэнергичные протоны, высвобожденные при взрыве, создали абсолютно нежелательный радиационный фон в пределах станции. Эти частицы пробивают насквозь совершенно любой космический корабль. Тем не менее, космическую технику это излучение пощадило, поскольку удар был мощным, но слишком коротким, чтобы вывести её из строя. Однако экипаж всё это время прятался в специальном укрытии, потому что человеческий организм гораздо уязвимее современной техники. Вспышка была не одна, они шли целой серией, а началось всё это 4 сентября 2017 года, чтобы 6 сентября потрясти космос экстремальным выбросом. За последние двенадцать лет более сильного потока на Земле ещё не наблюдали. Облако плазмы, которое выбросило Солнце, настигло Землю гораздо раньше намеченного срока, значит, скорость и мощность потока превысили ожидаемую в полтора раза. Соответственно и удар по Земле был гораздо более сильным, чем рассчитывали. На двенадцать часов облако опередило все расчёты наших учёных, и соответственно сильнее возмутило магнитное поле планеты.

Мощность магнитной бури получилась на оценку четыре из пяти возможных, то есть - в десять раз больше предполагаемой. В Канаде полярные сияния тоже наблюдались даже в средних широтах, как и в России. Планетарного характера магнитная буря случилась на Земле. Можно себе представить, что там творилось в космосе! Радиация - самая значительная опасность из всех там существующих. Защита от неё нужна немедленно, как только космический корабль покидает верхние слои атмосферы и оставляет далеко внизу магнитные поля. Потоки незаряженных и заряженных частиц - радиационное излучение - постоянно пронизывают космос. Такие же условия нас ждут на любой планете Солнечной системы: магнитного поля и атмосферы на наших планетах нет.

Виды радиации

В космосе самой опасной считается ионизирующая радиация. Это гамма-излучение и рентгеновские лучи Солнца, это частицы, летящие после хромосферных солнечных вспышек, это внегалактические, галактические и солнечные космические лучи, солнечный ветер, протоны и электроны радиационных поясов, альфа-частицы и нейтроны. Есть и неионизирующая радиация - это ультрафолетовое и инфракрасное излучения от Солнца, это электромагнитное излучение и видимый свет. В них большой опасности нет. Нас защищает атмосфера, а космонавта - скафандр и обшивка корабля.

Ионизирующая радиация же доставляет непоправимые беды. Это вредное действие на все жизненные процессы, которые протекают в человеческом организме. Когда частица высокой энергии или фотон проходят через вещество, находящееся на их пути, они образуют в результате взаимодействия с этим веществом пару заряженных частиц - ион. Даже на неживом веществе это сказывается, а живое реагирует наиболее бурно, поскольку организация высокоспециализированных клеток требует обновления, и процесс этот, покуда жив организм, происходит динамически. И чем выше уровень эволюционного развития организма, тем более необратимым получается радиационное поражение.

Защита от облучения

Учёные ищут такие средства в самых разных областях современной науки, в том числе и в фармакологии. Пока что ни один препарат эффективных результатов не даёт, и подвергшиеся радиационному облучению люди продолжают погибать. Эксперименты проводятся на животных и на земле, и в космосе. Единственное, что стало понятно, - это то, что любой препарат должен быть принят человеком до начала облучения, а не после.

А если учесть, что все такие лекарства токсичны, то можно считать, что борьба с последствиями радиации пока ни к одной победе не привела. Даже если фармакологические средства приняты вовремя, они обеспечивают защиту только от гамма-излучения и рентгеновских лучей, но не защищают от ионизирующего излучения протонов, альфа-частиц и быстрых нейтронов.

где μ – массовый коэффициент ослабления рентгеновского излучения см 2 /г, х/ ρ – массовая толщина зашиты г/см 2 . Если рассматривают несколько слоев, тогда под экспонентой находятся несколько слагаемых со знаком минус.

Мощность поглощенной доза радиации от рентгеновского излучения за единицу времени N определяется интенсивностью излучения I и массовым коэффициентом поглощения μ EN

N = μ EN I

Для расчетов массовые коэффициенты ослабления и поглощения для разных значений энергии рентгеновского излучения взяты согласно NIST X-Ray Mass Attenuation Coefficients.

В таблице 1 приведены используемые параметры и результаты расчетов для поглощенной и эквивалентной дозы радиации от защиты.

Таблица 1. Характеристика рентгеновского излучения, коэффициенты ослабления в Al и поглощения в организме, толщина защиты, результат расчета поглощенной и эквивалентной дозы радиации за сутки*

Рентгеновское излучение от Солнца			Коэф. ослаб. и поглощ.		Поглощенная и эквивалентная доза радиации от внешней защиты, рад/сут (мЗв/сут)
длина волны, А	E, кэВ	сред. поток, Ватт/м 2	Al, см 2 /г	орг. кость, см 2 /г	1,5 г/ см 2 (LM-5)	0,35 г/ см 2 (скаф. Кречет)	0,25 г/ см 2 (скаф. XA-25)	0,15 г/ см 2 (скаф. XA-15)	0,25 г/ см 2 (скаф. XO-25)	0,21 г/ см 2 (скаф. ОрланМ)	0,17 г/ см 2 (скаф. A7L)
1,2560	10,0	1,0·10 -6	26,2	28,5	0,0000	0,0006	0,0083	0,1114	1,0892	1,2862	1,5190
0,6280	20,0	3,0·10 -9	3,44	4,00	0,0001	0,0038	0,0054	0,0075	0,0061	0,0063	0,0065
0,4189	30,0	1,0·10 -9	1,13	1,33	0,0003	0,0010	0,0010	0,0012	0,0009	0,0009	0,0009
Итого рад/сут: Итого мЗв/сут:					0,000 0,004	0,005 0,054	0,015 0,147	0,120 1,202	1,0961 10,961	1,2934 12,934	1,5263 15,263

*Примечание – толщина защиты LM-5 и скафандров “Кречет”, “ХА-25” и “ХА-15” в алюминиевом эквиваленте, что соответствует 5,6, 1,3, 0,9 и 0,6 мм листового алюминия; толщина защиты “ХО-25”, “Орлан-М” и A7L тканеэквивалентного вещества, что соответствует 2,3, 1,9 и 1,5 мм тканеэквивалента.

Данную таблицу используют для оценки дозы радиации за сутки для других значений интенсивности рентгеновского излучения, умножая на коэффициент отношения между табличным значением потока и искомым усредненным за сутки. Результаты расчетов приведена на рис. 3 и 4 в виде шкалы поглощенной дозы радиации.

Расчет показывает, что лунный модуль с защитой 1,5 г/см 2 (или 5,6 мм Al) полностью поглощает мягкое и жесткое рентгеновское излучение Солнца. Для самой мощной вспышке от 4 ноября 2003 года (по состоянию на 2013 год и регистрируемых с 1976 года) интенсивность ее рентгеновского излучения в пике составляла 28·10−4 Вт/м 2 для мягкого излучения и 4·10−4 Вт/м 2 для жесткого излучения. За сутки усредненная интенсивность составит, соответственно, 10 Вт/м 2 сут и 1,3 Вт/м 2 . Доза радиации для экипажа за сутки равна 8 рад или 0,08 Гр, что безопасно для человека.

Вероятность подобных событий, как 4 ноября 2003 года, определяется как 30 минут за 37 лет. Или равна ~1/650000 час−1. Это очень низкая вероятность. Для сравнения – среднестатистический человек проводит вне дома за всю свою жизнь ~300000 часов, что соответствует возможности быть очевидцем ренгеновского события от 4 ноября 2003 года с вероятностью 1/2.

Для определения радиационных требований к скафандру мы рассматриваем рентгеновские вспышки на Солнце, когда их интенсивность увеличивается в 50 раз для мягкого излучения и 1000 раз для жесткого излучения по отношению к среднему суточному фону максимальной активности Солнца. Согласно рис. 4, вероятность таких событий – 3 вспышки за 30 лет. Интенсивность для мягкого рентгеновского излучения будет равна 4,3 Ватт/м 2 сутки и для жесткого – 0,26 Вт/м 2 .

Радиационные требования и параметры лунного скафандра

В скафандре на поверхности Луны эквивалентные дозы радиации от рентгеновского излучения увеличиваются.

При использовании скафандра “Кречет” для табличных значений интенсивности излучения доза радиации составит 5 мрад/сут. Защиту от рентгеновского излучения обеспечивает 1,2-1,3 мм листового алюминия, уменьшая интенсивность излучения в ~e9=7600 раз. При использовании меньшей толщины листового алюминия дозы радиации увеличиваются: для 0,9 мм Al – 15 мрад/сути, для 0,6 мм Al – 120 мрад/сути.

Согласно МАГАТЭ, такой радиационный фон признан нормальным условием для человека.

При увеличении мощности излучения от Солнца до значения 0,86 Ватт/м 2 сутки доза радиации для защиты 0,6 мм Al равна 1,2 рад/сути, что находится на границе нормальных и опасных условий для здоровья человека.

Лунный скафандр “Кречет”. Вид на открытый ранцевый люк, через который космонавт входит в скафандр. В рамках советской лунной программы понадобилось создать скафандр, позволяющий достаточно длительное время работать непосредственно на Луне. Он имел название «Кречет» и стал прообразом скафандров «Орлан», которые используются сегодня на для работы в открытом космосе. Вес 106 кг.

Доза радиации увеличивается на порядок при использовании защиты тканеэквивалентного вещества (полимеры, как майлар, капрон, фетр, стекловолокно). Так для скафандра “Орлан-М” при защите 0,21 г/см 2 тканеэквивалентного вещества интенсивность излучения уменьшается в ~e3=19 раз и доза радиации от рентгеновского излучения для костной ткани организма составит 1,29 рад/сути. Для защиты 0,25 г/см 2 и 0,17 г/см 2 , соответственно, 1,01 и 1,53 рад/сути.

Экипаж Аполлон-16 Джон Янг (командир), Томас Маттингли (пилот командного модуля) и Чарльз Дьюк (пилот лунного модуля) в скафандре A7LB. Самостоятельно одеть такой скафандр сложно.

Юджин Сернан в скафандре A7LB, миссия Аполлона-17.

A7L - основной тип скафандра использовавшийся астронавтами НАСА в программе Аполлон до 1975 года.Вид с разрезом верхней одежды. Верхняя одежда включала: 1) огнеупорная ткань из стекловолокна весом 2 кг, 2) экранно-вакуумная тепловая изоляция (ЭВТИ) для защиты человека от перегрева при нахождении на Солнце и от чрезмерной потери тепла на неосвещенной поверхности Луны, представляет собой пакет из 7 слоев тонкой пленки майлара и капрона с блестящей алюминированной поверхностью, между слоями проложена тончайшая вуаль волокон дакрона, вес составлял 0,5 кг; 3) противометеорный слой из нейлона с неопреновым покрытием (толщиной 3–5 мм) и весом 2–3 кг. Внутренняя оболочка скафандра изготавливалась из прочной ткани, пластика, прорезиненной ткани и резины. Масса внутренней оболочки ~20 кг. В комплект входили шлем, рукавицы, боты и СОЖ. Масса комплекта скафандра A7L для внекорабельной деятельности 34,5 кг

При увеличении интенсивности излучения от Солнца до значения 0,86 Ватт/м 2 сутки доза радиации для защиты 0,25 г/см 2 , 0,21 г/см 2 и 0,17 г/см 2 тканеэквивалентного вещества, соответственно, равна 10,9, 12,9 и 15,3 рад/сути. Такая доза равноценна 500-700 процедурам рентгенографии грудной клетки человека.Однократная доза 10-15 рад влияет на нервную систему и психику, на 5% повышается риск заболевания лейкозом крови, наблюдают умственную отсталость у потомков родителей. По МАГАТЭ такой радиационный фон представляет очень серьезную опасность для человека.

При интенсивности рентгеновского излучения 4,3 Ватт/м 2 сутки дозы радиации за сутки имеет значение 50-75 рад и вызывает радиационные заболевания.

Космонавт Михаил Тюрин в скафандре Орлан-М. Скафандр использовался на станции МИР и МКС с 1997 по 2009. Вес 112 кг. В настоящее время на МКС используется Орлан-МК (модернизированный, компьютеризированный). Вес 120 кг.

Самый простой выход – это снижение времени пребывания космонавта под прямыми лучами Солнца до 1 часа. Поглощенная доза радиации в скафандре Орлан-М уменьшится до 0,5 рад. Другой подход – работа в тени космической станции, в этом случае длительность внекорабельной деятельности можно значительно увеличить, несмотря на высокое внешнее рентгеновское излучение. В случае пребывания на поверхности Луны далеко за пределами лунной базы быстрое возвращение и укрытие не всегда возможно. Можно воспользоваться тенью лунного ландшафта или зонтиком от ренгеновских лучей…

Простым эффективным способом защиты от рентгеновского излучения Солнца является использование листового алюминия в скафандре. При 0,9 мм Al (толщина 0,25 г/см 2 в алюминиевом эквиваленте) скафандр имеет 67-кратный запас от среднего рентгеновского фона. При 10 кратном увеличении фона до 0,86 Ватт/м 2 сутки доза радиации равна 0,15 рад/сути. Даже при внезапном 50-кратном увеличении рентгеновского потока от среднего фона до значения 4,3 Ватт/м 2 сутки поглощенная доза радиации за сутки не превысит 0,75 рад.

При 0,7 мм Al (толщина 0,20 г/см 2 в алюминиевом эквиваленте) защита сохраняет 35-кратный радиационный запас. При 0,86 Ватт/м 2 сутки доза радиации составит не более 0,38 рад/сути. При 4,3 Ватт/м 2 сутки поглощенная доза радиации не превысит 1,89 рад.

Как показывают расчеты, для обеспечения радиационной защиты, как 0,25 г/см 2 в алюминиевом эквиваленте, требуется тканеэквивалент в 1,4 г/см 2 . При таком значении массовой защиты скафандра возрастет его толщина в несколько раз и понижает его юзабилити.

ИТОГИ И ВЫВОДЫ

В случае протонного излучения тканеэквивалентная защита имеет преимущество перед алюминием на 20-30%.

При рентгеновском излучении предпочтение имеет защита скафандра в алюминиевом эквиваленте, чем из полимеров. Данный вывод совпадает с результатами исследований Дэвида Смита (David Smith) и Джона Скало.

Лунные скафандры должны иметь два параметра защиты:

1) параметр защиты скафандра тканеэквивалентного вещества от протонного излучения, не ниже 0,21 г/см 2 ;
2) параметр защиты скафандра в алюминиевом эквиваленте от рентгеновского излучения, не ниже 0,20 г/см 2 .

При использовании во внешней оболочке скафандра с площадью 2,5-3 м 2 защиты Al масса скафандра на базе Орлан-МК увеличится на 5-6 кг.

Для лунного скафандра суммарная поглощенная доза радиации от солнечного ветра и рентгеновских лучей Солнца в год максимума солнечной активности составит 0,19 рад/сут (эквивалентная доза радиации – 8,22 мЗв/сут). Такой скафандр имеет 4-кратный запас радиационной прочности для солнечного ветра и 35-кратный запас радиационной прочности для рентгеновского излучения. Никакие дополнительные меры защиты, как радиационные алюминиевые зонтики, не нужны.

Для скафандра Орлан-М, соответственно, 1,45 рад/сут (эквивалентная доза радиации – 20,77 мЗв/сут). Скафандр имеет 4-кратный запас радиационной прочности для солнечного ветра.

Для скафандра A7L (A7LB) миссии Аполлон, соответственно, 1,70 рад/сут (эквивалентная доза радиации – 23,82 мЗв/сут). Скафандр имеет 3-кратный запас радиационной прочности для солнечного ветра.

При непрерывном пребывание в течении 4 суток на поверхности Луны в современных скафандрах Орлан или типа A7L человек набирает дозу радиации 0,06-0,07 Гр, что представляет опасность для его здоровья. Это соответствует выводам Дэвида Смита и Джона Скало, что в окололунном космическом пространстве в современном скафандре за 100 часов с вероятностью 10% человек получит опасную для здоровья и жизни дозу радиации выше 0,1 Грэй. Для скафандров Орлан или типа A7L необходимы дополнительные меры защиты от рентгеновского излучения, как радиационные алюминиевые зонтики.

Предлагаемый лунный скафандр на базе Орлан за 4 суток набирает дозу радиации 0,76 рад или 0,0076 Гр. (Один час пребывания на поверхности луны в скафандре под солнечным ветром соответствует двум процедурам рентгенографии грудной клетки). Согласно МАГАТЭ радиационный риск признан нормальным условием для человека.

NASA проводит испытания нового скафандра для готовящегося в 2020 году полета человека на Луну.

Кроме радиационного риска от солнечного ветра и рентгеновского излучения Солнца идет поток . Об этом далее.

Все организмы с момента своего появления на Земле существовали, развивались и эволюционировали при постоянном воздействии радиации. Радиация - это такое же естественное природное явление, как ветер, приливы и отливы, дождь и т. п.

Естественный радиационный фон (ЕРФ) присутствовал на Земле на всех этапах ее формирования. Он был задолго до того, как появилась жизнь, а затем и биосфера. Радиоактивность и сопровождающие ее ионизирующие излучения явились фактором, оказавшим влияние на современное состояние биосферы, эволюцию Земли, жизнь на Земле и элементный состав Солнечной системы. Любой организм подвергается воздействию характерного для данной местности радиационного фона. До 1940-х гг. он был обусловлен двумя факторами: распадом радионуклидов естественного происхождения, находящихся как в среде обитания данного организма, так и в самом организме, и космическими лучами.

Источники естественной (природной) радиации - это космос и природные радионуклиды, содержащиеся в естественной форме и концентрации во всех объектах биосферы: почве, воде, воздухе, минералах, живых организмах и т. д. Любой из окружающих нас предметов и мы сами в абсолютном смысле слова радиоактивны.

Основную дозу облучения население земного шара получает от естественных источников радиации. Большинство из них таковы, что избежать облучения от них совершенно невозможно. На протяжении всей истории существования Земли разные виды излучения проникают к поверхности земли из космоса и поступают от радиоактивных веществ, находящихся в земной коре. Человек подвергается облучению двумя способами. Радиоактивные вещества могут находиться вне организма и облучать его снаружи (в этом случае говорят о внешнем облучении) или они могут оказаться в воздухе, которым дышит человек, в пище или воде и попасть внутрь организма (такой способ облучения называют внутренним).

Облучению от естественных источников радиации подвергается любой житель Земли. Это зависит, в частности, от того, где люди живут Уровень радиации в некоторых местах земного шара, особенно там, где залегают радиоактивные породы, оказывается значительно выше среднего, а в других местах - ниже. Земные источники радиации в сумме ответственны за большую часть облучения, которому подвергается человек за счет естественной радиации. В среднем они обеспечивают более 5/6 годовой эффективной эквивалентной дозы, получаемой населением, в основном вследствие внутреннего облучения. Остальную часть вносят космические лучи, главным образом, путем внешнего облучения.

Естественный радиационный фон формируется космическим излучением (16%) и излучением, создаваемым рассеянными в природе радионуклидами, содержащимися в земной коре, приземном воздухе, почве, воде, растениях, продуктах питания, в организмах животных и человека, (84%). Техногенный радиационный фон связан главным образом с переработкой и перемещением горных пород, сжиганием каменного угля, нефти, газа и других горючих ископаемых, а также с испытаниями ядерного оружия и ядерной энергетикой.

Естественный радиационный фон есть неотъемлемый фактор окружающей среды, оказывающий существенное воздействие на жизнедеятельность человека. Естественный радиационный фон колеблется в широких пределах в различных регионах Земли. Эквивалентная доза в организме человека в среднем 2 мЗв = 0,2 бэр. Эволюционное развитие показывает, что в условиях естественного фона обеспечиваются оптимальные условия для жизнедеятельности человека, животных, растений. Поэтому при оценке опасности, обусловленной ионизирующим излучением, крайне важно знать характер и уровни облучения от различных источников.

Поскольку радионуклиды, как и любые атомы, образуют в природе определенные соединения и в соответствие со своими химическими свойствами входят в состав определенных минералов, то распределение естественных радионуклидов в земной коре неравномерно. Космическое излучение, как говорилось выше, также зависит от ряда факторов и может отличаться в несколько раз. Таким образом, естественный радиационный фон в разных местах земного шара разный. С этим связана условность понятия «нормальный радиационный фон»: с высотой над уровнем моря фон увеличивается за счет космического излучения, в местах выхода на поверхность гранитов или богатых торием песков радиационный фон также выше и так далее. Поэтому можно говорить лишь о среднем естественном радиационном фоне для данной местности, территории, страны и т. д.

Среднее значение эффективной дозы, получаемое жителем нашей планеты от природных источников за год, составляет 2,4 мЗв .

Примерно 1/3 этой дозы формируется за счет внешнего излучения (примерно поровну от космоса и от радионуклидов) и 2/3 обусловлены внутренним облучением, то есть природными радионуклидами, находящимися внутри нашего организма. Средняя удельная активность человека составляет около 150 Бк/кг. Естественный радиационный фон (внешнее облучение) на уровне моря в среднем составляет около 0,09 мкЗв/ч. Это соответствует примерно 10 мкР/ч.

Космическое излучение - это поток ионизирующих частиц, который падает на Землю из космического пространства. В состав космического излучения входят:

Космическое излучение состоит из трех компонентов, различающихся происхождением:

1) излучение частиц, захваченных магнитным полем Земли;

2) галактическое космическое излучение;

3) корпускулярное излучение Солнца.

Излучение заряженных частиц, захваченных магнитным полем Земли - на расстоянии 1,2-8 земных радиусов расположены так называемые радиационные пояса, содержащие протоны с энергией 1-500 МэВ (в основном 50 МэВ), электроны с энергией около 0,1-0,4 МэВ и незначительное количество альфа-частиц.

Состав. Галактические космические лучи состоят в основном из протонов (79 %) и α-частиц (20 %), что отражает распространенность водорода и гелия во Вселенной. Из числа тяжелых ионов наибольшее значение имеют ионы железа вследствие относительно высокой интенсивности и большого атомного числа.

Происхождение. Источниками галактических космических лучей являются звездные вспышки, взрывы сверхновых, пульсарное ускорение, взрывы галактических ядер и т. п.

Время жизни. Время существования частиц в космическом излучении - порядка 200 млн лет. Удержание частиц происходит за счет магнитного поля межзвездного пространства.

Взаимодействие с атмосферой . Входя в атмосферу, космические лучи взаимодействуют с атомами азота, кислорода и аргона. Столкновения частиц с электронами происходят чаще, чем с ядрами, но при этом высокоэнергичные частицы теряют мало энергии. При столкновениях же с ядрами частицы практически всегда выбывают из потока, поэтому ослабление первичного излучения практически полностью обусловлено ядерными реакциями.

При столкновении протонов с ядрами из ядер выбиваются нейтроны и протоны, идут реакции расщепления ядер. Образующиеся вторичные частицы обладают значительной энергией и сами индуцируют такие же ядерные реакции, т. е. происходит формирование целого каскада реакций, образуется так называемый широкий атмосферный ливень. Одна первичная частица высокой энергии может породить ливень, включающий десять последовательных поколений реакций, в которых рождаются миллионы частиц.

Новые ядра и нуклоны, составляющие ядерно-активный компонент излучения, образуются в основном в верхних слоях атмосферы. В ее нижней части поток ядер и протонов значительно ослабляется за счет ядерных столкновений и далее - потерь на ионизацию. На уровне моря он формирует только единицы процентов мощности дозы.

Космогенные радионуклиды

В результате ядерных реакций, идущих под влиянием космических лучей в атмосфере и частично в литосфере, образуются радиоактивные ядра. Из них в создание дозы наибольший вклад вносят (β-излучатели: 3 H (Т 1/2 = 12,35 лет), 14 C (T 1/2 = 5730 лет), 22 Na (T 1/2 = 2,6 лет), - поступающие в организм человека вместе с пищей. Как следует из приведенных данных, наибольший вклад в облучение вносит углерод-14. Взрослый человек потребляет с пищей ~ 95 кг углерода в год.

Солнечное излучение, состоящее из электромагнитного излучения вплоть до рентгеновского диапазона, протонов и альфа-частиц;

Перечисленные виды излучения являются первичными, они почти полностью исчезают на высоте около 20 км вследствие взаимодействия с верхними слоями атмосферы. При этом образуется вторичное космическое излучение, которое достигает поверхности Земли и воздействует на биосферу (в том числе на человека). В состав вторичного излучения входят нейтроны, протоны, мезоны, электроны и фотоны.

Интенсивность космического излучения зависит от ряда факторов:

Изменений потока галактического излучения,

Активности солнца,

Географической широты,

Высоты над уровнем моря.

В зависимости от высоты интенсивность космического излучения резко возрастает.

Радионуклиды земной коры.

В земной коре рассеяны долгоживущие (с периодом полураспада в миллиарды лет) изотопы, которые не успели распасться за время существования нашей планеты. Они образовались, наверное, одновременно с образованием планет Солнечной системы (относительно короткоживущие изотопы распались полностью). Эти изотопы называются естественными радиоактивными веществами, это значит такими, которые образовались и постоянно вновь образовываются без участия человека. Распадаясь, они образуют промежуточные, также радиоактивные, изотопы.

Внешними источниками излучений являются более 60 естественных радионуклидов, находящихся в биосфере Земли. Естественные радиоактивные элементы содержатся в относительно небольшом количестве во всех оболочках и ядре Земли. Особое значение для человека имеют радиоактивные элементы биосферы, т.е. той части оболочки Земли (лито-, гидро-и атмосфере), где находятся микроорганизмы, растения, животные и человек.

В течение миллиардов лет шел постоянный процесс радиоактивного распада нестабильных ядер атомов. В результате этого общая радиоактивность вещества Земли, горных пород постепенно снижалась. Относительно короткоживущие изотопы распались полностью. Сохранились главным образом элементы с полураспадом, измеряемым миллиардами лет, а также относительно короткоживущие вторичные продукты радиоактивного распада, образующиеся последовательные цепочки преобразований, так называемые семейства радиоактивных элементов. В земной коре естественные радионуклиды могут быть более или менее равномерно рассеяны или сконцентрированы в виде месторождений.

Природные (естественные) радионуклиды можно разделить на три группы:

Радионуклиды, принадлежащие радиоактивным семействам (рядам),

Другие (не принадлежащие радиоактивным семействам) радионуклиды, вошедшие в состав земной коры при формировании планеты,

Радионуклиды, образовавшиеся под действием космического излучения.

В процессе формирования Земли в состав ее коры наряду со стабильными нуклидами вошли и радионуклиды. Большая часть этих радионуклидов относится к так называемым радиоактивным семействам (рядам). Каждый ряд представляет собой цепочку последовательных радиоактивных превращений, когда ядро, образующееся при распаде материнского ядра, тоже, в свою очередь, распадается, вновь порождая неустойчивое ядро и т. д. Началом такой цепочки является радионуклид, который не образуется из другого радионуклида, а содержится в земной коре и биосфере с момента их рождения. Этот радионуклид называют родоначальником и его именем называют все семейство (ряд). Всего в природе существует три родоначальника - уран-235, уран-238 и торий-232, и, соответственно, три радиоактивных ряда - два урановых и ториевый. Заканчиваются все ряды стабильными изотопами свинца.

Самый большой период полураспада у тория (14 млрд. лет), поэтому он со времени аккреции Земли сохранился почти полностью. Уран-238 распался в значительной степени, распалась подавляющая часть урана-235, а изотоп нептуния-232 распался весь. По этой причине в земной коре много тория (почти в 20 раз больше урана), а урана-235 в 140 раз меньше, чем урана-238. Поскольку родоначальник четвертого семейства (нептуний) со времени аккреции Земли весь распался, то в горных породах его почти нет. В ничтожных количествах нептуний обнаружен в урановых рудах. Но происхождение его вторичное и обязано бомбардировке ядер урана-238 нейтронами космических лучей. Сейчас нептуний получают с помощью искусственных ядерных реакций. Для эколога он не представляет интереса.

Около 0,0003% (по разным данным 0,00025-0,0004%) Массы земной коры - это уран. То есть в одном кубометре самого обычного грунта содержится в среднем 5 граммов урана. Есть места, где это количество в тысячи раз больше - это месторождения урана. В кубометре морской воды содержится около 1,5 мг урана. Этот природный химический элемент представлен двумя изотопами -238U и 235U, каждый из которых является родоначальником своего радиоактивного ряда. Подавляющая часть природного урана (99,3%) - это уран-238. Этот радионуклид весьма устойчив, вероятность его распада (а именно - альфа-распада) очень мала. Эта вероятность характеризуется периодом полураспада, равным 4,5 миллиарда лет. То есть со времен формирования нашей планеты его количество уменьшилось вдвое. Из этого, в свою очередь, следует, что радиационный фон на нашей планете раньше был выше. Цепочки радиоактивных превращений, порождающей природные радионуклиды уранового ряда:

Радиоактивный ряд включает как долгоживущие радионуклиды (то есть радионуклиды с большим периодом полураспада), так и короткоживущие, но в природе существуют все радионуклиды ряда, даже те, которые быстро распадаются. Это связано с тем, что с течением времени установилось равновесие (так называемое «вековое равновесие») - скорость распада каждого радионуклида равна скорости его образования.

Существуют природные радионуклиды, которые вошли состав земной коры в процессе формирования планеты и которые не принадлежат урановым или ториевому рядам. В первую очередь - это калий-40. Содержание 40 К в земной коре около 0,00027% (масс), период полураспада 1,3 миллиарда лет. Дочерний нуклид - каль-ций-40 - является стабильным. Калий-40 в значительном количестве входит в состав растений и живых организмов, вносит существенный вклад в общую дозу внутреннего облучения человека.

Природный калий содержит три изотопа: калий-39, калий-40 и калий-41, из которых только калий-40 радиоактивен. Количественное соотношение этих трех изотопов в природе выглядит так: 93,08 %, 0,012 % и 6,91 %.

Калий-40 распадается двумя путями. Около 88% его атомов испытывают бета-излучение и превращаются в атомы кальция-40. Остальные 12% атомов, испытывая К-захват, превращаются в атомы аргона-40. На этом свойстве калия-40 основан калий-аргоновый метод определения абсолютного возраста горных пород и минералов.

Третью группу природных радионуклидов составляют космогенные радионуклиды. Эти радионуклиды образуются под действием космического излучения из стабильных нуклидов в результате ядерных реакций. К ним относятся тритий, бериллий-7, углерод-14, натрий-22. Например, ядерные реакции образования трития и углерода-14 из азота под действием космических нейтронов:

Особое место среди природных радиоизотопов занимает углерод. Природный углерод состоит из двух стабильных изотопов, среди которых преобладает углерод-12 (98,89 %). Остальная часть почти целиком приходится на изотоп углерод-13 (1,11 %).

Помимо стабильных изотопов углерода известны еще пять радиоактивных. Четыре из них (углерод-10, углерод-11, углерод-15 и углерод-16) характеризуются весьма малыми периодами полураспада (секунды и доли секунды). Пятый радиоизотоп, углерод-14, имеет период полураспада 5730 лет.

В природе концентрация углерода-14 крайне мала. Например, в современных растениях один атом этого изотопа приходится на 10 9 атомов углерода-12 и углерода-13. Однако с появлением атомного оружия и ядерной техники углерод-14 получается искусственно при взаимодействии медленных нейтронов с азотом атмосферы, поэтому количество его постоянно растет.

Существует некоторая условность относительно точки зрения того, какой фон считать «нормальным». Так, при «среднепланетарной» годовой эффективной дозе на одного человека 2,4 мЗв во многих странах эта величина составляет 7-9 мЗв/год. То есть испокон веков миллионы людей живут в условиях природных дозовых нагрузок, которые в несколько раз выше, чем среднестатистические. Медицинские исследования и демографическая статистика показывают, что это никак не сказывается на их жизни, не оказывают никакого негативного влияния на их здоровье и здоровье их потомства.

Говоря об условности понятия «нормальный» природный фон, можно указать также ряд мест на планете, где уровень природной радиации превышает среднестатистический не только в разы, но и в десятки раз (таблица), этому воздействию подвержены десятки и сотни тысяч жителей. И это тоже норма, это тоже никак не сказывается на их здоровье. Более того, многие районы с повышенным радиационным фоном в течение столетий являются местами массового туризма (морские побережья) и признанными курортами (Кавказские Минеральные Воды, Карловы Вары и др.).

Одним из основных негативных биологических факторов космического пространства, наряду с невесомостью, является радиация. Но если ситуация с невесомостью на различных телах Солнечной системы (например, на Луне или Марсе) будет лучше, чем на МКС, то с радиацией дела обстоят сложнее.

По своему происхождению космическое излучение бывает двух типов. Оно состоит из галактических космических лучей (ГКЛ) и тяжелых положительно заряженных протонов, исходящих от Солнца. Эти два типа излучения взаимодействуют друг с другом. В период солнечной активности интенсивность галактических лучей уменьшается, и наоборот. Наша планета защищена от солнечного ветра магнитным полем. Несмотря на это, часть заряженных частиц достигает атмосферы. В результате возникает явление, известное как полярное сияние. Высокоэнергетические ГКЛ почти не задерживаются магнитосферой, однако они не достигают поверхности Земли в опасном количестве благодаря ее плотной атмосфере. Орбита МКС находится выше плотных слоев атмосферы, однако внутри радиационных поясов Земли. Из-за этого уровень космического облучения на станции намного выше, чем на Земле, но существенно ниже, чем в открытом космосе. По своим защитным свойствам атмосфера Земли приблизительно эквивалентна 80-сантиметровому слою свинца.

Единственным достоверным источником данных о дозе излучения, которую можно получить во время длительного космического перелета и на поверхности Марса, является прибор RAD на исследовательской станции Mars Science Laboratory, более известной как Curiosity. Чтобы понять, насколько точны собранные им данные, давайте для начала рассмотрим МКС.

В сентябре 2013 года в журнале Science была опубликована статья, посвященная результатам работы инструмента RAD. На сравнительном графике, построенном Лабораторией реактивного движения НАСА (организация не связана с экспериментами, проводимыми на МКС, но работает с инструментом RAD марсохода Curiosity), указано, что за полгода пребывания на околоземной космической станции человек получает дозу излучения, примерно равную 80 мЗв (миллизиверт). А вот в издании Оксфордского университета от 2006 года (ISBN 978-0-19-513725-5) говорится, что в сутки космонавт на МКС получает в среднем 1 мЗв, т. е. полугодовая доза должна составить 180 мЗв. В результате мы видим огромный разброс в оценке уровня облучения на давно изученной низкой орбите Земли.

Основные солнечные циклы имеют период 11 лет, и, поскольку ГКЛ и солнечный ветер взаимосвязаны, для статистически надежных наблюдений нужно изучить данные о радиации на разных участках солнечного цикла. К сожалению, как говорилось выше, все имеющиеся у нас данные о радиации в открытом космосе были собраны за первые восемь месяцев 2012 года аппаратом MSL на его пути к Марсу. Информация о радиации на поверхности планеты накоплена им же за последующие годы. Это не значит, что данные неверны. Просто нужно понимать, что они могут отражать лишь характеристики ограниченного периода времени.

Последние данные инструмента RAD были опубликованы в 2014 году. Как сообщают ученые из Лаборатории реактивного движения НАСА, за полгода пребывания на поверхности Марса человек получит среднюю дозу излучения около 120 мЗв. Эта цифра находится посередине между нижней и верхней оценками дозы облучения на МКС. За время перелета к Марсу, если он также займет полгода, доза облучения составит 350 мЗв, т. е. в 2-4,5 раза больше, чем на МКС. За время полета MSL пережил пять вспышек на Солнце умеренной мощности. Мы не знаем наверняка, какую дозу облучения получат космонавты на Луне, поскольку во времена программы «Аполлон» не проводились эксперименты, изучавшие отдельно космическую радиацию. Ее эффекты изучались лишь совместно с эффектами других негативных явлений, таких как влияние лунной пыли. Тем не менее, можно предположить, что доза будет выше, чем на Марсе, поскольку Луна не защищена даже слабой атмосферой, но ниже, чем в открытом космосе, т. к. человек на Луне будет облучаться только «сверху» и «с боков», но не из-под ног./

В заключение можно отметить, что радиация – это та проблема, которая обязательно потребует решения в случае колонизации Солнечной системы. Однако широко распространенное мнение, что радиационная обстановка за пределами магнитосферы Земли не позволяет совершать длительные космические полеты, просто не соответствует действительности. Для полета к Марсу придется установить защитное покрытие либо на весь жилой модуль космического перелетного комплекса, либо на отдельный особо защищенный «штормовой» отсек, в котором космонавты смогут пережидать протонные ливни. Это не значит, что разработчикам придется использовать сложные антирадиационные системы. Для существенного снижения уровня облучения достаточно теплоизоляционного покрытия, которое применяют на спускаемых аппаратах космических кораблей для защиты от перегрева при торможении в атмосфере Земли.

Космическая лента

Комикс про то, как ученые в борьбе с космической радиацией освоят Марс.

В ней рассматривается несколько направлений для будущих исследований по защите космонавтов от облучения, включая лекарственную терапию, генную инженерию и технологию гибернации. Авторы также замечают, что радиация и старение убивают организм схожими методами, и предполагают, что способы борьбы с одним могут действовать и против другого. Статья с боевым девизом в названии Viva la radioresistance! («Да здравствует сопротивление радиации!») была опубликована в журнале Oncotarget .

«Ренессанс космонавтики, вероятно, приведет к первым человеческим миссиям на Марс и в глубокий космос. Но для выживания в условиях повышенной космической радиации людям придется стать более устойчивыми к внешним факторам. В этой статье мы предлагаем методологию достижения повышенной радиорезистентности, стрессоустойчивости и устойчивости к старению. В процессе работы над стратегией мы собрали ведущих ученых из России, а также из NASA, Европейского космического агентства, Канадского радиационного центра и более чем 25 других центров по всему миру. На Земле тоже пригодятся технологии радиорезистентности, особенно если «побочным эффектом» будет здоровое долголетие», – комментирует Александр Жаворонков, адъюнкт-профессор МФТИ.

. " alt="Мы сделаем так, чтобы радиация не препятствовала человечеству в покорении космоса и колонизации Марса. Благодаря ученым долетим до Красной планеты и будем устраивать там диско и жарить барбекю. " src="/sites/default/files/images_custom/2018/03/mars7.png">

Мы сделаем так, чтобы радиация не препятствовала человечеству в покорении космоса и колонизации Марса. Благодаря ученым долетим до Красной планеты и будем устраивать там диско и жарить барбекю.

Космос против человека

«В космических масштабах наша планета – всего лишь небольшой корабль, неплохо защищенный от космического излучения. Магнитное поле Земли отклоняет солнечные и галактические заряженные частицы, тем самым существенно снижая уровень радиации на поверхности планеты. При дальних космических полетах и колонизации планет с очень слабыми магнитными полями (например, Марса) такой защиты не будет, и астронавты и колонисты будут подвергаться постоянному воздействию потоков заряженных частиц с огромной энергией. Фактически космическое будущее человечества зависит от того, как мы преодолеем эту проблему», – делится заведующий отделом экспериментальной радиобиологии и радиационной медицины Федерального медицинского биофизического центра имени А. И. Бурназяна, профессор РАН, сотрудник лаборатории разработки инновационных лекарственных средств МФТИ Андреян Осипов.

Человек беззащитен перед опасностями космоса: солнечное облучение, галактические космические лучи, магнитные поля, радиоактивная среда Марса, радиационный пояс Земли, микрогравитация (невесомость).

Человечество со всей серьезностью нацелилось колонизировать Марс – SpaceX обещает доставить человека на Красную планету уже в 2024 году, однако некоторые существенные проблемы до сих пор не решены. Так, одной из основных опасностей для здоровья космонавтов является космическая радиация. Ионизирующее излучение повреждает биологические молекулы, в частности ДНК, что приводит к различным нарушениям: нервной системы, сердечно-сосудистой системы и, главным образом, к раку. Ученые предлагают объединить усилия и, используя последние достижения биотехнологий, повысить радиорезистентность человека, чтобы он мог покорять просторы глубокого космоса и колонизировать другие планеты.

Человеческая оборона

У организма есть способы защищаться от повреждений ДНК и восстанавливать их. На наше ДНК постоянно воздействует природная радиация, а также активные формы кислорода (АФК), которые образуются при нормальном клеточном дыхании. Но при починке ДНК, особенно в случае тяжелых повреждений, могут происходить ошибки. Накопление повреждений ДНК считается одной из главных причин старения, так что радиация и старение – схожие враги человечества. Однако клетки могут адаптироваться к облучению. Показано, что маленькая доза радиации может не только не навредить, но и подготовить клетки ко встрече с более высокими дозами. Сейчас международные стандарты радиационной защиты это не учитывают. Последние же исследования говорят о том, что существует некий порог радиации, ниже которого действует принцип «тяжело в учении – легко в бою». Авторы статьи считают, что нужно исследовать механизмы радиоадаптивности, чтобы взять их на вооружение.

Способы повышения радиорезистентности: 1) генная терапия, мультиплексная генная инженерия, экспериментальная эволюция; 2) биобанкинг, регенеративные технологии, инженерия тканей и органов, индуцированное обновление клеток, клеточная терапия; 3) радиопротекторы, геропротекторы, антиоксиданты; 4) гибернация; 5) дейтерированные органические компоненты; 6) медицинский отбор радиорезистентных людей.

Заведующий лабораторией генетики продолжительности жизни и старения МФТИ, член-корреспондент РАН, доктор биологических наук Алексей Москалев поясняет: «Наши многолетние исследования эффектов малых доз ионизирующих излучений на продолжительность жизни модельных животных показали, что небольшие повреждающие воздействия способны стимулировать собственные защитные системы клеток и организма (репарацию ДНК, белки теплового шока, удаление нежизнеспособных клеток, врожденный иммунитет). Однако в космосе люди столкнутся с более существенным и опасным диапазоном доз радиации. Нами накоплена большая база данных по геропротекторам. Полученные знания говорят о том, что многие из них функционируют по механизму активизации резервных возможностей, повышения стрессоустойчивости. Вполне вероятно, что подобная стимуляция поможет будущим колонизаторам космических просторов».

Инженерия космонавтов

Более того, среди людей радиорезистентность отличается: кто-то больше устойчив к радиации, кто-то меньше. Медицинский отбор радиорезистентных индивидов предполагает взятие образцов клеток у потенциальных кандидатов и всесторонний анализ радиоадаптивности этих клеток. Самые устойчивые к облучению полетят в космос. Кроме этого, можно проводить полногеномные исследования людей, проживающих в областях с высоким уровнем фонового излучения или сталкивающихся с ним по профессии. Геномные отличия людей, менее подверженных раку и другим заболеваниям, связанным с облучением, можно в будущем выделить и «привить» космонавтам с помощью современных методов генной инженерии, таких как редактирование генома.

Есть несколько вариантов, какие гены нужно внести, чтобы повысить радиорезистентность. Во-первых, гены антиоксидантов помогут защитить клетки от активных форм кислорода, появляющихся в результате облучения. Несколько экспериментальных групп уже успешно попробовали снизить чувствительность к радиации с помощью таких трансгенов. Однако от прямого воздействия облучения этот способ не спасет, только от опосредованного.

Можно вносить гены белков, ответственных за восстановление ДНК. Такие опыты уже проводились – некоторые гены действительно помогали, а некоторые приводили к повышенной геномной неустойчивости, так что эта область ждет новых исследований.

Более перспективный метод – это использование радиозащитных трансгенов. Многие организмы (например тихоходки) обладают высокой степенью радиорезистентности, и если выяснить, какие гены и молекулярные механизмы за этим стоят, их можно перевести на людей с помощью генной терапии. Чтобы убить 50% тихоходок, нужна доза облучения, в 1000 превышающая смертельную для человека. Недавно был обнаружен белок, который, предположительно, является одним из факторов такой выносливости – так называемый супрессор повреждений Dsup. В эксперименте с клеточной линией человека оказалось, что введение гена Dsup уменьшает повреждения на 40%. Это делает ген перспективным кандидатом в защитники человека от радиации.

Аптечка бойца

Лекарства, которые увеличивают радиационную защиту организма, называются «радиопротекторами». На сегодняшний день существует только один радиопротектор, одобренный FDA . Но основные сигнальные пути в клетках, которые включены в процессы старческих патологий, участвуют также и в ответах на облучение. Исходя из этого геропротекторы – лекарства, которые уменьшают скорость старения и продлевают продолжительность жизни – могут служить и радиопротекторами. Согласно базам данных Geroprotectors.org и DrugAge , существует более 400 потенциальных геропротекторов. Авторы считают, что будет полезно рассмотреть существующие лекарства на наличие геро- и радиопротекторных свойств.

Так как ионизирующее облучение действует также через активные формы кислорода, справляться с радиацией могут помочь редокс-поглотители, или, проще говоря, антиоксиданты, такие как глутатион, NAD и его предшественник NMN. Последние, по-видимому, играют важную роль в ответе на повреждение ДНК, поэтому представляют большой интерес с точки зрения защиты от радиации и старения.

Гипернация в гибернации

Вскоре после запуска первых космических полетов ведущий конструктор советской космической программы Сергей Королев начал разрабатывать амбициозный проект пилотируемого полета на Марс. Его идея заключалась в том, чтобы привести экипаж в состояние гибернации (англ. hibernation - «зимняя спячка») во время длительных космических путешествий. При гибернации все процессы в организме замедляются. Эксперименты с животными показывают, что в таком состоянии повышается устойчивость к экстремальным факторам: понижению температуры, смертельным дозам облучения, перегрузкам и так далее. В СССР проект Марса был закрыт после смерти Сергея Королева. А в настоящее время Европейское космическое агентство работает над проектом «Аврора» по полетам на Марс и Луну, в котором рассматривается вариант спячки космонавтов. ЕКА считает, что при длительном автоматизированном полете гибернация обеспечит большую безопасность. Если же говорить о будущей колонизации космоса, то проще перевозить и защищать от радиации банк криоконсервированных зародышевых клеток, а не популяцию «готовых» людей. Но это явно будет не в ближайшем будущем, и, возможно, к тому моменту методы радиозащиты будут развиты достаточно, чтобы человек не боялся космоса.

Тяжелая артиллерия

Все органические соединения содержат углерод-водородные связи (С-Н). Однако можно синтезировать соединения, которые содержат вместо водорода дейтерий – более тяжелый аналог водорода. Из-за большей массы связи с дейтерием сложнее разорвать. Однако организм рассчитан на работу с водородом, поэтому если слишком много водорода заменить на дейтерий, это может привести к плохим последствиям. Было показано на разных организмах, что добавление дейтерированной воды увеличивает продолжительность жизни и оказывает противораковое действие, но больше 20% дейтерированной воды в рационе начинает оказывать токсическое действие. Авторы статьи считают, что следует проводить доклинические испытания и искать порог безопасности.

Интересной альтернативой представляется замена не водорода, а углерода на более тяжелый аналог. 13 C тяжелее 12 C всего на 8%, в то время как дейтерий тяжелее водорода на 100% – такие изменения для организма будут менее критичны. Однако этот способ не защитит от разрыва N-H и O-H связи, которые скрепляют основания ДНК. К тому же производство 13 C на сегодняшний день является очень дорогим. Тем не менее, если получится снизить стоимость производства, то замена углерода может быть дополнительной защитой человека от космической радиации.

«Проблема радиационной безопасности участников космических миссий относится к классу очень сложных проблем, которые невозможно решить в рамках одного научного центра или даже целой страны. Именно по этой причине мы решили объединить специалистов из ведущих центров в России и по всему миру для того, чтобы узнать и консолидировать их видение путей решения данной проблемы. В частности, среди российских авторов статьи есть ученые из ФМБЦ им. А. И. Бурназяна, ИМБП РАН, МФТИ и других всемирно известных учреждений. В ходе работы над проектом многие его участники впервые познакомились друг с другом и теперь планируют продолжать начатые совместные исследования», – заключает координатор проекта Иван Озеров, радиобиолог, руководитель группы анализа клеточных сигнальных путей Сколковского стартапа «Инсилико».

Дизайнер Елена Хавина, пресс-служба МФТИ