Защита астронавтов от радиации при полетах на Луну и Марс

Автору пришлось провести самостоятельное моделирование. В результате показано, что время пролета зон Ван Аллена можно сократить в зависимости от угла подлета.

После преодоления зон Ван Аллена при полете к Луне и Марсу проявляются другие зоны, совершенно свободные для проникновения солнечного ветра и для влияния всех видов космических излучений. Эти зоны очень опасны. Поэтому необходимо было найти готовые решения наших передовых институтов: ИКИ РАН, Корпорация ВНИИЭМ, НИИЯФ МГУ; СО РАН; ИЯИ РАН, Москва. Кроме того, опираясь на опубликованные данные, автор делал расчет по возможности полетов к Луне и Марсу при разных толщинах защиты корпусом КА, стенками РУ и скафандром.

Многие материалы по данной тематике закрыты и начинают рассекречиваться только в последнее время. И тогда мы узнаем, что советской науке принадлежал приоритет в изучении солнечных вспышек и космической радиации. Мы узнаем потрясающие новости о том, что еще в начале 60-х годов наше космическое руководство предупреждало американскую НАСА о невозможности полетов на Луну из-за сильного влияния солнечных вспышек.

Автору пришлось обратить особое внимание на влияние солнечных вспышек. Дело в том, что в литературе описывается влияние отдельных сильных солнечных вспышек класса Х, и совершенно не рассматриваются вспышки классов М и С. Как будто образовалась черная дыра по поводу влияния солнечных вспышек классов М и С. Изучить это влияние необходимо потому, что сильнейшие вспышки класса Х происходят редко, примерно, один раз в 11 лет, а вспышки классов М и С происходят ежедневно. Изучив этот вопрос, автор пришел к выводу о том, что вспышки классов М и С, могут быть смертельными при отсутствии необходимой сильной защиты.

А какой должна быть эта защита?

По тексту будет доказано, что полеты на Луну возможны при толщине защиты в радиационном убежище РУ внутри корпуса космического аппарата КА толщиной не менее 10 г/см

. Выход на поверхность Луны в скафандре ограничен возможностями скафандра и временем, при усиленной толщине скафандра типа российского «Кречета», допустимое время составляет полчаса. Большее время на поверхности Луны возможно только в защищенной кабине лунохода толщиной защиты не менее 7,5 г/см

. Опасность остается, и она связана со вспышками класса Х, но эти вспышки имеют частоту повторения один раз в 11 лет, и этот период можно предсказать современными методами исследований, тогда полеты на Луну должны быть проведены в промежутках между солнечными вспышками класса Х.

Забегая вперед, констатируем, что автор провел расчеты и показал, при защите 0,324 г/см

в скафандре «Кречет» поглощенная доза составит от 10

 до 5х10

Р за год, или 27,4 Р до 137 Р за сутки; в таком скафандре можно работать на поверхности Луны в отсутствии сильных солнечных вспышек за суммарное время не более 3-х часов; если же учесть солнечные вспышки классов М и С, то время нахождения в таком скафандре уменьшается до получаса. Это то самое время, за которое астронавт должен успеть переместиться из космического аппарата в защитную кабину на луноходе.

Существуют три основные особенности полетов на Марс по сравнению с полетами на Луну:

– главное, это огромное время полета, примерно 6 месяцев в одну сторону;

– газовая оболочка Марса состоит, преимущественно, из углекислого газа, она в 200 раз меньше земной, а давление ниже (примерно, как на высоте 35 км);

– на поверхности Марса имеется слабое магнитное поле, в 43 раза меньше, чем на Земле и разряженная атмосфера; хотя они много меньше, чем на Земле, но оказывают свое защитное действие и доза радиации на поверхности Марса меньше, чем на поверхности Луны.

Существуют предвестники сильных солнечных вспышек класса Х, которые в большинстве случаев являются смертельными. Автор, Александр Матанцев попробует сформулировать эти предшествующие событию признаки:

– излучения волн в определенном диапазоне частот;

– увеличение накануне в течение, как минимум 10 дней частоты возникновения солнечных вспышек класса М и С;

– усиление накануне в период нескольких дней магнитного поля.

По тексту будет показано, что самым перспективным новым решением является создание новых слоистых материалов с разными добавками по молекулярному весу в слоях, в результате чего общая толщина всей защиты при полете на Луну или Марс может уменьшится вдвое. По подсчетам автора, Александра Матанцева, если сейчас на существующем уровне развития для безопасного полета на Марс требуется защита корпуса космического аппарата КА или кабинки радиационной защиты РУ толщиной в 50 г/см

, то с применением таких новых слоистых запатентованных материалов, толщина защиты может быть снижена вдвое – до 25 г/см

, или, примерно, до 12,5 см толщиной, что очень существенно для выбора ракетных двигателей и общего технического решения при полетах на Луну и Марс. На поверхности Луны и Марса астронавт может находиться в скафандре не более получаса, а остальное время он должен находиться в подвижном радиационном убежище в виде, защищенное кабинки на луноходе или марсоходе со специальными стеклами, защищающими от космической радиации.

В книге описываются патенты и новые решения на новые материалы, защищающие от космической радиации. Подробно будет рассмотрен раздел о новых материалах и новых технических решениях защиты. Самым перспективным новым решением является создание новых слоистых материалов с разными добавками по молекулярному весу в слоях, в результате чего общая толщина всей защиты при полете на Луну или Марс может уменьшиться вдвое.

Первый слой, где происходит замедление быстрых нейтронов, состоит из элементов с малой атомной массой: воды, парафина, полиэтилена, бетона, гидридов металлов. Второй слой предназначен для поглощения медленных нейтронов. Он включает в себя такие элементы, как бор, кадмий, гафний, европий. Процесс поглощения сопровождается гамма-излучением. И для его ослабления предусматривается третий слой, состоящий из тяжелых металлов или эквивалентных им материалов. Ученые предложили использовать изотоп бор-10 в качестве составной части защитных материалов на основе высокомолекулярного полиэтилена. Изотоп бор-10 позволяет обеспечить высокоэффективную нейтронную защиту, в сотни раз превосходящую бетон.

В России ведутся и другие перспективные разработки. Так, создается радиационно-защитное покрытие, которое представляет собой многослойную структуру, состоящую из чередующихся слоев с разным эффективным атомным номером. Такая структура не только останавливает налетающие частицы, но и эффективно поглощает образовавшееся в результате их рассеивания тормозное излучение. В составе разработанного в РКС покрытия использовали неорганическую матрицу – связующие слои неорганических веществ, устойчивые к воздействию атомарного кислорода. Применение защитного покрытия расширит номенклатуру компонентной базы для малых космических аппаратов. Обработка составом позволит для повышения радиационной стойкости использовать даже обычные промышленные микросхемы, стоимость которых иногда в разы меньше специальной «космической» электроники. Сейчас радиационно-защитное покрытие проходит испытания. В ходе тестирования, которое специалисты РКС проводили вместе с коллегами из Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» (НИЯУ МИФИ), покрытие, задействованное в качестве дополнительной защиты алюминиевого корпуса, повысило показатель ослабления потока частиц в 4—7 раз. После завершения испытаний радиационно-защитное покрытие планируется использовать в бортовой аппаратуре космического назначения, производящейся в РКС.

Радиационные зоны Ван Аллена

Земля имеет атмосферу – многослойную эфирную оболочку со сложной структурой. Ближе всего к поверхности Земли расположена тропосфера, за нею – тропопауза и стратосфера. Начиная с 30 км до 600 км находится ионосфера со своими слоями, часть из которых активируется ночью, а часть – днем. А после 600 км идет магнитосфера (или экзосфера).

Одной из примечательных особенностей магнитосферы Земли является наличие в ней двух радиационных поясов Ван Аллена (большого и малого), которые простираются от 644 до 64400 км над ее поверхностью. Эти пояса представляют собой щиты из плотного структурного эфира, защищающие Землю от влияния жесткой радиации и солнечного ветра. Пояса захватывают частицы с высокой энергией, приходящие с солнечным ветром, в дальнейшем частицы циркулируют внутри поясов и вдоль силовых линий магнитного поля Земли.

Фактически пояса Ван Аллена были открыты советским учёным Н. Д. Булатовым ещё в 1930-е годы, а их существование было подтверждено учёными ИЗМИРАН по результатам полёта Первого спутника. Однако он не завил об этом всему миру и поэтому официально внутренний радиационный пояс Земли был открыт американским учёным Джеймсом Ван Алленом после полета Эксплорер-1, который заявил об этом сразу в нескольких мировых журналах. Поэтому Ван Аллен, в сущности, присвоил себе то, что было открыто задолго и независимо от него. Но, в настоящее время общепринятым считается название по его имени, поэтому не будем пока от этого отступать [22].

Внешний радиационный пояс Земли был открыт советскими учёными С. Н. Верновым и А. Е. Чудаковым после полёта Спутник-3 в 1958 году. Радиационный пояс в первом приближении представляет собой тор, в котором выделяются две основные области – рис. 1, рис. 2 [27]:

– внутренний радиационный пояс на высоте ? 4000 км, состоящий преимущественно из протонов с энергией в десятки МэВ;

– внешний радиационный пояс на высоте ? 17 000 км, состоящий преимущественно из электронов с энергией в десятки кэВ.

Кроме того, имеется дополнительная средняя зона. Земля находится внутри магнитосферы, граница которой находится на расстоянии около 70000 км от поверхности Земли.

Граница магнитосферы, внешний и внутренний пояса Ван Аллена, а также ионосфера надёжно защищают Землю от космической радиации. Поэтому в околоземном космическом пространстве очень мягкие радиационные условия.

Рис. 1

Рис. 1. Автор, Александр Матанцев, обозначил красными стрелками расстояние от Земли до внешнего и внутреннего слоев Ван Аллена

Рис. 2

Рис. 2. Внутренний и внешний радиационные пояса Ван Аллена вокруг Земли [50]

Рис. 3

Рис. 3. Зоны Ван Аллена вокруг Земли [14]

Рис. 4

Рис. 4. Радиационные пояса вокруг Земли [13]

Радиационные пояса:

1 – внешний радиационный пояс Земли (Ван Аллена);

2 – внутренний радиационный пояс (Ван Аллена);

3 – магнитные силовые линии;

4 – третий радиационный пояс обнаружен со спутника и образован межгалактическим космическим лучом (МГКЛ).

Рис. 5

Рис. 5. Радиационные пояса вокруг Земли [67]