Миссия — Марс: Физики рассчитали оптимальные «окно возможностей» и толщину экрана для защиты от космической радиации
Группа ученых определила окно возможностей для пилотируемых космических полетов на Марс. Согласно с разработанными моделями, наиболее благоприятным и безопасным для космонавтов будет период 2030-х годов.
Ученые из России (Сколковский институт науки и технологий, Москва), США (Калифорнийский университет и Массачусетский технологический институт) и Германии (Потсдамский центр имени Гельмгольца (GFZ) и Потсдамский униерситет) во главе с Юрием Шприцем и доктором Михаилом Добындэ смоделировали варианты миссии, в время которых учли фактор космической погоды, то есть солнечной радиации и галактического излучения, так, чтобы облучение экипажа космического корабля было как можно меньшим.
Космическая радиация — главный вызов долгосрочным космическим миссиям, от которого корабль можно защитить оборудованием его защитными экранами лишь до определенного предела, когда он станет слишком тяжелым, а его запуск — экономически невыгодным. Команда решила, что надо не противостоять космической погоде, а адаптироваться к ней.
Полет к Марсу при нынешнем уровне развития технологий займет около девяти месяцев. Корабль и его экипаж в течение путешествия будут подвергаться воздействию радиации двух видов: энергетических частиц солнечного происхождения (преимущественно протонов) и галактических космических лучей (84% протонов, 14% положительно заряженных альфа-частиц, 2% отрицательно заряженных электронов). Защищаться от них довольно сложно, ведь они перемещаются с высокой энергией и проникают на большую глубину материалов или даже сквозь них.
Ни рисунке слева изображено 100 протонов, которые поражают космический корабль с плотностью алюминиевого экрана в 10 г / см2 с энергией 100 мегаэлектронвольт. Справа только 10 протонов, но с энергией в 10 раз больше. Синие линии указывают на первичные протоны, а полученные вторичные частицы отображаются красным (нейтроны), желтым (гамма-лучи) и голубым (электроны). Зеленые точки указывают на взаимодействие частиц и веществ. Изображение: Доктор Михаил Добындэ / Сколтех
Каждые 11 лет Солнце достигает пиковой активности, то есть создает больше излучения. Модель международной команды физиков предлагает совершить полет на Марс именно в этот период наибольшей солнечной активности: ведь поток солнечной радиации фактически отражает вредные галактические лучи.
Ученые смоделировали два уровня радиации внутри космического корабля, учитывая 28 видов опасных частиц галактического происхождения и 10 — излучаемых Солнцем во время вспышек. Исследователи опирались на измерение частиц солнечного происхождения за 1998—2012 годы и на эмпирическую модель галактических космических лучей, которая зависит от солнечного цикла.
В модели космический корабль имитировала сфера с внутренним диаметром 2 м. В качестве защитного экрана использовали алюминий различной толщины. Сфера диаметром 35 см, наполненная водой, служила моделью человеческого тела. Ученые вычислили дозу облучения, которую накапливает тело человека за время полета к Марсу при различных условиях. Также они проанализировали различные глубины проникновения в тело, чтобы различить чувствительность кожи, кровотворительных и других органов.
«На сегодняшний день большинство космических агентств предполагают, что суммарная доза облучения космонавтов в течение их жизни не должна превышать 1 зиверта, — говорит Юрий Шприц. — Новые расчеты показывают, что в этот лимит можно уложиться, если корабль будет иметь оптимальное экранирование, а полет начнется во время пиковой активности Солнца и общее время полета не превысит 3,8 года».
«Мы определили оптимальную комбинацию экранирования космических кораблей и дату запуска, позволяющую максимально длительное время полета. Наши расчеты показывают, что лучшее время для начала пилотируемого полета на Марс и обратно — это фаза спада солнечной активности. Если среднее экранирование составляет 10 см алюминия, миссия может длиться до четырех лет без превышения разрешенного предела радиационного риска. Поскольку следующий солнечный максимум приближается довольно скоро — примерно в 2025 году — Марса, возможно, придется подождать до середины 2030-х годов», — прокомментировал первый автор исследования, доктор Михаил Добындо.
Результаты исследования показывают, что плотность материала экранирования 30 г / см2 наиболее оптимальна: плотный материал приводит к усилению процесса рассеяния частиц, создает так называемые вторичные частицы, которые могут увеличивать облучение внутри космического аппарата. А если плотность экрана будет меньше 30 г/см2, то критическую дозу облучения можно будет получить даже при коротких полетах.
Авторы продолжают исследования эффективности различных экранирующих материалов и радиационного среды на поверхности Марса и Луны.
По материалам: German Research Centre for Geosciences, EurasiaReview.
