Защита от космической радиации: Фронтиры в защите от космической радиации / Хабр

Фронтиры в защите от космической радиации / Хабр

Прошло 50 лет с тех пор, как последний человек побывал на другом небесном теле. Теперь человечество заперто в пределах околоземной орбиты. Почему же мы еще не полетели на Марс или хотя бы не вернулись на Луну?

Дело не только в финансовом вопросе, но и в ограничениях человеческого тела, преодолевать которые мы пока не научились. К одному из таких ограничений относится радиация.

Существует два вида излучения, которые воздействуют на человека в космосе:

  1. Солнечное излучение. От него проще защититься, но оно менее предсказуемо. Вспышки на Солнце могут резко увеличивать дозу облучения. Такие всплески происходят в среднем раз в 11 лет, однако их невозможно спрогнозировать. Человек, оказавшийся на поверхности Луны в такой момент, рискует погибнуть на месте.

  2. Галактическое излучение. Оно более стабильно, но очень негативно воздействует на нервную систему. К тому же от него сложнее защититься.

На низкой земной орбите, где располагается МКС, опасность представляет только солнечная радиация, так как магнитное поле Земли блокирует галактическое излучение. Если на МКС космонавт суммарно может провести около 4 лет, чтобы набрать норматив по радиации, который работники АЭС набирают за 50 лет, то на Луне – до 60 дней (с учетом галактического излучения и других факторов, негативно влияющих на здоровье).

Какие существуют способы защитить человека от радиации в космосе?

Более быстрые корабли

С текущим уровнем технологий космонавт за всю карьеру может один раз долететь до Марса и обратно, чтобы набрать норматив по радиации. До красной планеты можно добраться за 8-9 месяцев при скорости корабля 65 000 км/час. Ядерные ракетные двигатели (ЯРД) или электрические двигатели на ядерной энергии (ЯЭДУ) могли бы сократить путь до полутора-двух месяцев, но их разработка требует стабильного длительного финансирования, а к результатам предъявляют серьезные требования по экологической безопасности.

Что сейчас делается в этом направлении? В НАСА велись разработки ЯРД и ЯЭДУ еще в 1960-х годах, но вернулись к ним только после 2018 года. В России еще в 2010 году начались работы над проектом ЯЭДУ мегаваттного класса, но опытные образцы ожидаются только к 2025 году. В дорожной карте развития космонавтики Китая на 2017-2045 годы прописано создание корабля на ЯРД.

Что этому мешает? Для создания ЯРД и ЯЭДУ нужно не только финансирование, но и преодоление технологических барьеров. Для ЯРД – это неспособность материалов выдержать очень высокую температуру реактора. Решением может стать карбонитрид гафния с температурой плавления 4200◦С, открытый в 2019 году. Для ЯЭДУ барьером является проблема хранения водорода на протяжении полета. ArianeGroup разработали две технологии по сохранению водорода в сжиженном состоянии, которые будут опробованы при запуске ракеты Ariane 6 в 2022 году.

Защита корабля

Есть два варианта защиты корабля от космической радиации: 1) использовать традиционные материалы, но увеличить толщину обшивки; 2) использовать более эффективные защитные материалы.

От космической радиации хорошо защищают вода и пластики. Можно сделать обшивку из пластика толщиной 5 см, а сам корабль может быть из алюминия, который сам по себе плохо защищает от радиации. В НАСА считают, что пластик не вариант, так как он тяжелый и увеличит массу корабля, а соответственно и стоимость запуска. Пространство в обшивке, по которой будет циркулировать вода — это тоже вариант, но она нужна самому экипажу, и нужно как-то восполнять её запасы.

Использование более эффективных защитных материалов может снизить массу и стоимость корабля, но поиск и испытания таких материалов требуют времени. Часто материалы, обладающие хорошей защитой от радиации, не подходят по свойствам для использования в составе космического аппарата.

Что сейчас делается в этом направлении? В NASA разрабатывают материал, который соответствует этим критериям, – нанотрубки нитрида бора (BNNTs), легкий и встраиваемый в обшивку корабля и материал скафандров, однако проект еще в процессе исследований и тестирования.

Что этому мешает? BNNTs – дорогое в производстве вещество (около $1000 за грамм). Однако ученые надеются, что цена снизится, когда BNNTs войдет в массовое производство. Так было со снижением цен на углеродные нанотрубки, которые подешевели за 20 лет с $1000 до $10-20 за грамм.

Киборгизация и биоинженерия

В космических миссиях самое слабое звено – человек. Влияние тяжелых заряженных частиц галактического излучения на тело человека пока мало изучено. Заведующий отделом радиационной безопасности космонавтов Института медико-биологических проблем РАН Вячеслав Шуршаков говорит: «Возможно, радиация станет причиной потери памяти у космонавта, вызовет ненормальные поведенческие реакции, агрессию. И очень вероятно, что эти эффекты не будут привязаны к конкретной дозе».

Что сейчас делается в этом направлении? Уже давно звучат предложения заменять космонавтам хрусталики глаз на искусственные, чтобы избежать повреждения катарактой из-за радиации, удалять селезёнку или превентивно защитить мозг, которые страдают одними из первых. Если второе представляется сомнительным занятием, то вот первое и третье имеют перспективы реализации.

Что этому мешает? Если с темой имплантации искусственных хрусталиков вопросов нет — это давно известная и поставленная на поток технология, то с защитой мозга от радиации все совсем непонятно. Предполагается, что большая проблема – это высокий риск развития болезни Альцгеймера, которая обычно затрагивает гиппокамп. Можно было бы удалить гиппокамп, но это приведет к невозможности формировать долгосрочные воспоминания.  В статье Эмили Манкин и Ицхака Фрида описывается как глубокая стимуляция мозга (DBS) может улучшить работу гиппокампа у пациентов с эпилепсией и болезнью Альцгеймера. Возможно ответ лежит в этой области, однако предстоит решить этические вопросы, связанные с вмешательством в работу мозга человека.

Еще один фронтир – генная инженерия, но процесс это не быстрый. Если мы действительно захотим изменить геном человека, понадобится возможно три поколения исследований, чтобы убедиться, что мы ничего не сломаем.

Гибернация

Гибернация –  искусственно созданное состояние замедленной жизнедеятельности организма у теплокровных животных, в том числе человека, благодаря которому организм приобретает бо́льшую устойчивость к кислородному голоданию, травмам и другим неблагоприятным воздействиям, в том числе радиации. Еще в конце 1980-х годов было обнаружено, что живые организмы, насыщенные инертными газами в условиях низкой температуры и высокого давления, впадают в состояние гибернации. Самым эффективным для этих целей газом является ксенон.

Что сейчас делается в этом направлении? Ученым из Лаборатории криоконсервации и гипобиоза (совместный проект ИБК РАН и Фонда перспективных исследований) удалось ввести крыс в состояние гибернации на семь суток. Специалисты считают, что использование ксенона действительно может дать хороший результат без нежелательных побочных эффектов. На реализацию проекта по разработке препарата для ввода в гибернацию крыс и кроликов ушло 40 месяцев. Следующая цель – разработка препарата для людей.

Что этому мешает? Во-первых, после создания препаратам предстоит пройти серию доклинических испытаний на токсичность и мутагенность. Кроме проверки на животных нужно будет провести тесты и на добровольцах, что займет 3-5 лет. Маттео Черри, физиолог из Болонского университета, считает, что разработать такой препарат можно за 10 лет при наличии высокой научной квалификации и стабильной финансовой поддержки.

Во-вторых, стоимость ксенона, необходимого для обеспечения анестезии человека на 2 часа, составляет около 300 долларов. В перспективе разработка методики выделения ксенона из отработанного анестезирующего газа сделает его добычу дешевле.

Итог: В конечном счете, решение проблемы радиации должно быть комплексным. И успех в этой сфере зависит не только от наличия идей и инноваций, но и от стабильной финансовой поддержки исследований и разработок.

обнаружен материал, не подверженный космической радиации

2721

Добавить в закладки

Исследователи Университета ИТМО и НПО «Специальные материалы»
представили новый полупроводник на основе оксидов галлия и
алюминия, который лучше переносит воздействие космической
радиации. Из данного материала можно создавать электронику для
космических аппаратов. Статья опубликована в журнале Acta Astronautica –
сообщается на сайте ИТМО

Профессор факультета лазерной
фотоники и оптоэлектроники Университета ИТМО Дмитрий
Бауман объясняет: «На Земле мы защищены нашей атмосферой, которая
поглощает или отражает большую часть воздействий, приходящих из
космоса. Но как только мы выходим за пределы атмосферы, все
попадает непосредственно в нас. Например, потоки ионов. Если мы
будем бомбардировать электронный прибор ионами с высокой
энергией, то произойдет ионизация материала, в нем появятся
паразитные заряды, которые будут влиять на работу устройства.
Возможно, даже приведут к его разрушению. Второй вредный фактор,
который мы встречаем в космосе, — это жесткое электромагнитное
излучение, способное проникать сквозь самые разные защиты и
вредить электронике».

В любом спутнике очень много электронных приборов — благодаря им
операторы управляют работой аппаратов: меняют угол наклона
солнечных батарей, контролируют орбиту, делают снимки, передают и
получают сообщения. Для защиты этих устройств от солнечной
радиации прилагаются большие усилия, придумываются защитные
покрытия. Это отнимает не только деньги и ресурсы, но и полезный
вес при запуске ракеты-носителя.

Ученые начали экспериментировать с оксидом галлия (Ga2O3), хорошо
известным полупроводниковым материалом. Однако, как обнаружилось
в процессе работы, оптимальным материалом является (AlxGa1-x)2O3.
Это твердый раствор, который встраивается в кристаллическую
решетку вместо атомов галлия. В результате проведенных опытов,
ученые получили более стойкий материал, который лучше работает в
условиях радиации. Однако, как выяснилось, этим плюсы их
разработки не ограничиваются.

«В работах разных исследователей выявлены и другие преимущества
двойного материала по сравнению с чистым оксидом галлия.
Например, установлено, что в нем значительно выше подвижность
электронов, что хорошо для любого полупроводника. Чем выше
подвижность, тем быстрее материал реагирует на внешнее
воздействие, тем быстрее будет работа прибора» — отметил Дмитрий
Бауман.

Таким образом, полученный материал потенциально может быть
применен для новых космических аппаратов. Впрочем, ученые не
исключают, что его можно будет использовать и для земных
приборов, которые работают в условиях повышенного радиационного
фона. 

 


 

Разместил Григорий Яшин

Автор Теона Бурдиашвили

ИТМО
космическая радиация
оксид галлия
радиационный фон
спутник
электромагнитное излучение

Источник:
news.itmo.ru

Информация предоставлена Информационным агентством «Научная Россия». Свидетельство о регистрации СМИ: ИА № ФС77-62580, выдано
Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций 31 июля 2015 года.

НАУКА ДЕТЯМ

Физики смоделировали на суперкомпьютере водные растворы сахаров

18:30 / Физика, Химия

Учёные предложили новый способ диагностики постковидного синдрома по сердечному ритму

17:30 / Здравоохранение, Медицина

В России импортозаместят сенсоры для контроля продукции в авиа- и машиностроении

17:00 / Инженерия, Новые технологии

Новые сорбенты от российских ученых помогут бороться с сепсисом

16:30 / Химия

Швейцарские ученые использовали молекулы сахара как мишень в терапии рака

16:00 / Медицина

Ученые Пермского Политеха избавят асфальтобетонное покрытие от быстрого старения

15:30 / Инженерия

Археологи нашли место въезда на Немецкий двор в Великом Новгороде

14:30 / Археология

Ученые выяснили, как определять риски внезапной остановки сердца

13:30 / Здравоохранение, Медицина

Яков Лобачевский избран академиком-секретарем отделения сельскохозяйственных наук РАН

13:00 / Наука и общество, Новые технологии, Экология

Ученые выяснили, что наноселен поможет улучшить урожайность

12:30 / Биология

Памяти великого ученого. Наука в глобальном мире. «Очевиднное — невероятное» эфир 10.05.2008

04.03.2019

Памяти великого ученого. Нанотехнологии. «Очевидное — невероятное» эфир 3.08.2002

04.03.2019

Вспоминая Сергея Петровича Капицу

14.02.2017

Смотреть все

Радиационная защита для защиты миссии на Марс

Вредное излучение исходит из двух основных космических источников; протоны с низкой энергией, испускаемые Солнцем, известные как солнечный ветер, и частицы гораздо более высокой энергии, известные как галактические космические лучи, которые возникают за пределами Солнечной системы.

Длительное воздействие галактических космических лучей и солнечных частиц может привести к значительно более высокому риску развития рака, считают исследователи.

Увеличения толщины стенок космического корабля было бы достаточно, чтобы защитить астронавтов от низкоэнергетических частиц Солнца, однако высокоэнергетические галактические космические лучи будут взаимодействовать с экранирующими материалами, создавая еще большее излучение.

Проект SR2S, финансируемый ЕС, вместо этого разрабатывает магнитное экранирование, которое может отклонять эти опасные космические лучи так же, как магнитный щит Земли защищает людей от космического излучения.

Идея, первоначально предложенная в 1969 году космическим инженером Вернером фон Брауном, так называемым отцом ракетостроения, заключается в использовании сверхпроводящего магнита для создания экрана.

«Поскольку магнитосфера отклоняет космические лучи, направленные к Земле, магнитное поле, создаваемое сверхпроводящим магнитом, окружающим космический корабль, защитит экипаж», — сказал доктор Риккардо Мусенич, научный и технический руководитель проекта.

‘SR2S — это первый проект, который не только исследует принципы и научные проблемы (магнитного экранирования), но также решает сложные инженерные вопросы’

»

‘Магнитное поле, создаваемое сверхпроводящим магнитом, окружающим космический корабль защитит экипаж». Для этого она обратилась к сверхпроводникам, материалам, не обладающим электрическим сопротивлением при экстремально низких температурах, чтобы помочь им решить одну из самых больших проблем с магнитным экраном — вес необходимого большого магнита.

Сверхпроводящие магниты, обычно используемые в МРТ-сканерах, создают более сильные и более эффективные магнитные поля с использованием меньших и более легких магнитов, чем магниты, изготовленные из обычных материалов, таких как медь или алюминий.

На Земле сверхпроводящие материалы необходимо охлаждать до очень низких температур с помощью жидкого гелия, чтобы использовать их сверхпроводящие свойства, однако проект уже нашел решение, которое будет работать в космосе.

«Мы решили использовать новый сверхпроводящий материал, открытый в 2001 году: диборид магния или MgB2», — пояснил доктор Мусенич. MgB2 может сверхпроводить при температуре 10 кельвинов, или -263 градуса Цельсия, что устраняет необходимость в охлаждении жидким гелием, поскольку эта температура сравнима с температурой глубокого космоса.

Моделирование магнитной системы предполагает, что магнитное поле диаметром 10 метров может быть создано системой, весящей менее половины веса сопоставимого пассивного экрана.

Новый метод облегчения радиационной защиты космического корабля: ржавчина.

Одной из самых больших проблем при работе и жизни в космосе является угроза радиации. Помимо солнечных и космических лучей, опасных для здоровья космонавтов, существует и ионизирующее излучение, угрожающее их электронному оборудованию. Это требует, чтобы все космические корабли, спутники и космические станции, которые отправляются на орбиту, были экранированы с использованием материалов, которые часто бывают довольно тяжелыми и/или дорогими.

В поисках альтернатив группа инженеров разработала новый метод создания радиационной защиты, который легче и дешевле, чем существующие методы. Секретным ингредиентом, согласно их недавно опубликованному исследованию, являются оксиды металлов (также известные как ржавчина). Этот новый метод может иметь множество применений и привести к значительному снижению затрат, связанных с космическими запусками и космическими полетами.

Исследование исследовательской группы появилось в сети и будет включено в выпуск научного журнала 9 за июнь 2020 г. 0043 Радиационная физика и химия . Исследование было проведено Майклом ДеВанцо, старшим системным инженером Lockheed Martin Space, и Робертом Б. Хейсом, адъюнкт-профессором ядерной инженерии в Университете штата Северная Каролина.

Визуализирован электромагнитный спектр. Авторы и права: NASA

Проще говоря, ионизирующее излучение передает энергию атомам и молекулам, с которыми оно взаимодействует, вызывая потерю электронов и образование ионов. На Земле этот тип излучения не является проблемой благодаря защитному магнитному полю Земли и плотной атмосфере. Однако в космосе ионизирующее излучение очень распространено и исходит из трех источников: галактических космических лучей (ГКЛ), частиц солнечных вспышек и радиационных поясов Земли (также известных как пояса Ван Аллена).

Для защиты от этого типа излучения космические агентства и коммерческие производители аэрокосмической техники обычно заключают чувствительную электронику в металлические коробки. В то время как металлы, такие как свинец или обедненный уран, обеспечивают наибольшую защиту, такой вид защиты значительно увеличивает вес космического корабля.

Вот почему предпочтительны алюминиевые ящики, так как считается, что они обеспечивают наилучшее соотношение между весом щита и защитой, которую он обеспечивает. Как объяснил профессор Хейс, он и ДеВанзо стремились исследовать материалы, которые могли бы обеспечить лучшую защиту и еще больше снизить общий вес космического корабля:

«Наш подход можно использовать для поддержания того же уровня радиационной защиты и снижения веса на 30% или более, или вы можете сохранить тот же вес и улучшить защиту на 30% или более — по сравнению с наиболее широко используемыми приемы экранирования. В любом случае, наш подход уменьшает объем пространства, занимаемого экранированием».

Техника, разработанная им и ДеВанзо, основана на смешивании порошкообразного окисленного металла (ржавчины) с полимером и последующем включении его в обычное покрытие, которое затем наносится на электронику. По сравнению с металлическими порошками оксиды металлов обеспечивают меньшую защиту, но также менее токсичны и не создают тех же электромагнитных проблем, которые могут создавать помехи для электроники космического корабля. Как объяснил ДеВанзо:

«Расчеты переноса излучения показывают, что включение порошка оксида металла обеспечивает защиту, сравнимую с обычной защитой. При низких энергиях порошок оксида металла уменьшает как гамма-излучение электроники в 300 раз, так и нейтронное излучение на 225%».

«В то же время покрытие менее громоздкое, чем защитная коробка», — добавил Хейс. «И в вычислительном моделировании худшие характеристики оксидного покрытия по-прежнему поглощали на 30% больше излучения, чем обычный экран того же веса. Кроме того, частицы оксида намного дешевле, чем такое же количество чистого металла».

В дополнение к снижению веса и стоимости космической электроники, этот новый метод потенциально может снизить потребность в обычной защите в космических миссиях. Забегая вперед, ДеВанзо и Хейс продолжат оттачивать и тестировать свою технику экранирования для различных приложений и ищут отраслевых партнеров, которые помогут им разработать технологию для использования в промышленности.