За невидимым щитом: как космонавтам укрыться от радиации по пути к Марсу

Кроме того, окрестности звезды бомбардируют частицы солнечного ветра, от которых мы защищены магнитным полем планеты. Однако некоторые из таких протонов улавливаются широкими «карманами» магнитосферы, образуя радиационные пояса Земли, пролет через которые крайне опасен. Наконец, случайные частицы космических лучей могут прилетать от далеких звезд и галактик. Некоторые из них довольно тяжелы и движутся на околосветовых скоростях, делая бесполезным почти любой экран.

Радиация — один из самых опасных факторов космического пространства, который способен охладить пыл любого энтузиаста освоения Солнечной системы. До сих пор мы с ней толком и не сталкивались: работающие на борту МКС экипажи остаются невысоко, под защитой геомагнитного поля, а при угрозе встречи с потоком солнечного ветра укрываются за толстыми стенками пристыкованных к станции кораблей. Но для экспедиций хотя бы на Луну проблема становится серьезней: космонавтам придется пересекать радиационные пояса и вдобавок все время опасаться любой солнечной вспышки, от которой у людей не будет защиты.

Участникам полетов по программе Apollo повезло разминуться с одним из таких облаков, да и через радиационные пояса они двигались быстро, поэтому накопленная доза оказалась невелика. Но сегодня, когда ведущие космические агентства и корпорации собираются сделать межпланетные рейсы обычным делом, полагаться на удачу больше нельзя.

По счастью, опасные космические лучи от далеких звезд довольно немногочисленны, а жесткое излучение Солнца легко экранируется. Главная опасность при полете к Луне — солнечный ветер. Планируется, что экипаж будущих пилотируемых кораблей Orion будет использовать против него несколько довольно простых способов защиты. Во-первых, израильская компания StemRad разработала противорадиационный жилет AstroRad, который закрывает внутренние органы. В 2022 году, когда Orion совершал испытательный облет Луны, на его борту находилось несколько человекоподобных манекенов, в том числе Zohar, облаченный в такой жилет.

Кроме того, корабль будет непрерывно получать с Земли информацию о возможном приближении выброшенной Солнцем плазмы и сам сможет отслеживать радиационную обстановку с помощью детекторов HERA. В случае угрозы астронавтам придется собраться в центре обитаемого модуля, обложившись пакетами с грузом и канистрами с запасами воды и пищи, чтобы переждать поток в сравнительной безопасности.

Но все это сработает лишь для Луны, путь до которой и обратно занимает не больше 10 дней. А чтобы добраться хотя бы на Марс и вернуться оттуда, космонавтам понадобится (при использовании уже существующих и проверенных технологий) несколько лет. Все это время люди будут постоянно подвергаться действию космических лучей и накапливать повреждающую дозу. По стандартам ESA максимальное значение не должно превышать 1000 мЗв, но новые нормы, принятые в NASA в 2022 году, уменьшили эту цифру до 600. Судя по данным автоматических зондов, во время полета на Марс и обратно доза достигнет 1200 мЗв, следовательно, воздействие радиации требуется снизить хотя бы вдвое. Но даже если ориентироваться на ESA, проблемы в целом это не решит: полеты за пределы марсианской орбиты снова напомнят о необходимости защиты. Наконец, нельзя забывать и о солнечном ветре: в долгой экспедиции трудно рассчитывать на удачу, как при кратких полетах Apollo.

Компания SpaceX, которая уже испытывает будущий Starship — корабль для полетов к Луне и Марсу, рассчитывает обеспечить пассивную защиту за счет особого расположения баков с водой, которые послужат экраном для обитаемого модуля. Однако польза такого решения сомнительна. С солнечным ветром вода справится, но вот энергия космических лучей так велика, что, столкнувшись с экраном, они породят ливни вторичных частиц, которые нанесут куда больший вред. Недаром измерения показывают, что за 95% накапливаемой в космосе дозы радиации ответственны частицы с энергиями 70–500 МэВ, тогда как диапазон солнечного ветра заканчивается в районе 100 МэВ. Почти все частицы выше этого уровня — вплоть до гигаэлектронвольт — прилетают постоянным и случайным фоном космических лучей. И с этим надо что-то делать.

На Земле большинство таких частиц отклоняется магнитным полем. Его защитные свойства эквивалентны алюминиевому экрану толщиной около 4 м — в космос такую штуку не отправишь. Но ведь можно взять с собой магнитное поле, создав вокруг корабля невидимый щит, который сможет замедлять и отклонять даже частицы очень высоких энергий. В NASA исследования активного экранирования начались еще в 1960-х годах. Отчет, подготовленный тогда Ричардом Леви и Фрэнсисом Френчем, показал, что достаточно мощное магнитное поле смогло бы стать отличной защитой для людей. Увы, необходимые для этого технологии оказались далеко за пределами возможностей того времени. Для проекта требовались как минимум хорошие электромагниты на сверхпроводниках, и идею отодвинули на неопределенное будущее.

Оно наступило в 1990-х годах, когда команда Сэмуэла Тинга, ядерщика и нобелевского лауреата, спроектировала магнитный альфа-спектрометр (AMS) для изучения космических лучей. Инструмент испытали на борту станции «Мир», и он до сих пор работает на МКС. Чтобы отклонять частицы излучения, направляя их на детектор, в AMS используется магнит, состоящий из восьми катушек из ниобия-титана и охлажденный до температуры 1,7 К, при которой этот сплав проявляет сверхпроводимость. Магнит создала команда Роберто Баттистона из Европейского центра ядерных исследований (CERN). После успеха AMS эксперты ESA поручили разработчикам масштабировать решение — сделать магнит, способный отклонять космическую радиацию и вдвое уменьшить дозу, получаемую целым кораблем.

Исследования велись в рамках программы ESA ARSSEM — «Активный противорадиационный щит для космических исследовательских миссий». Требовалось не только сделать магнит намного более массивным и мощным, но и найти способ отказаться от жидкого гелия, служащего для охлаждения сверхпроводника. На МКС его запасы постоянно пополняют, но в дальней космической миссии сделать это будет невозможно. Конструкция щита SR2S, предложенная в итоге Баттистоном, оказалась впечатляющей, но вряд ли реализуемой на практике. SR2S представлял собой гигантский полый цилиндр из серии катушек на основе сверхпроводящего материала ReBCO, который не требует такого глубокого охлаждения, позволяя обойтись жидким азотом. Обитаемый модуль должен располагаться внутри него, словно в огромном аппарате МРТ.

Однако такие мощные магниты рискуют сами деформироваться под действием создаваемых ими полей. Значит, к катушкам и криогенной системе требуется добавить надежные опорные конструкции. Но чем массивнее опоры, тем больше вторичного излучения в них возникает, требуя увеличения мощности магнита. Получается замкнутый круг.

В результате общая масса SR2S по проекту Баттистона превысила сотню тонн — столько не смогут поднять даже самые тяжелые из существующих носителей. Поэтому ученые изменили конструкцию и вместо одного гигантского цилиндрического магнита предложили использовать три или четыре одинаковые системы поменьше, симметрично окружив ими обитаемый модуль. Магниты должны быть ориентированы таким образом, чтобы образовать сборку Халбаха, создавая поле только с одной своей стороны, как это устроено в маглевах. Такое поле, формой напоминающее тыкву, потребует вдвое меньшей массы при той же эффективности защиты.

В рамках проекта CREW HaT Елена Д’Онгия и Паоло Десиати занялись технической проработкой идей Баттистона, рассматривая набор из восьми внешних катушек из сверхпроводящего ReBCO, окружающих и защищающих обитаемый модуль внутри, укрепленных опорами из алюминия и кевлара. По оценкам, конструкция, весящая всего 25 т, сможет отклонять до 70% частиц с энергиями до 500 МэВ. Правда, прежде придется снизить ее энергопотребление. Пока оно оценивается на уровне 60 кВт, что сравнимо с потреблением всей МКС и вряд ли будет доступно для корабля, улетающего в дальний космос.

Вспомним, что электромагнитное поле окружает любой электростатический заряд. Оно заставляет подниматься волосы, к которым подносят потертый о стену воздушный шарик. Теоретически такое поле способно замедлять и отклонять частицы радиации так же, как магнитное, хотя техническая реализация системы будет совсем иной. Долгое время ею не занимались вовсе: получать в космосе необходимые для этого сотни миллионов вольт в обозримой перспективе не получится. Однако и тут возможны некоторые трюки.

Стоян Маджунков и его коллеги из Лаборатории реактивного движения (JPL) NASA с помощью суперкомпьютера нашли такую конфигурацию электростатического поля, которая позволит снизить число космических частиц на 15%, а солнечного ветра – вдвое, оставаясь в пределах миллиона вольт. «Кажется, подобное экранирование перестает быть фантастикой», — резюмировал Маджунков. И действительно, инженеры уже построили модель такой системы — сетчатый металлический каркас, окружающий «обитаемый модуль», — и успешно испытали на ускорителе частиц BNL.

Теперь ученые пытаются масштабировать модель и улучшить конфигурацию поля, чтобы снизить напряжение. Тем временем участники проекта CREW HaT и их коллеги из команды Баттистона продолжают совершенствовать свои «сверхпроводниковые тыквы», подбирая материалы и оптимизируя системы охлаждения. Принципиально снизить вес таких систем вряд ли удастся, поэтому главные надежды создателей связаны с вводом в эксплуатацию следующего поколения сверхтяжелых носителей. Посмотрим, чей расчет окажется верным.