Жилет против солнечного шторма: как AstroRad на 60% снижает дозу радиации для астронавтов

Радиационный защитный жилет однажды сможет защитить астронавтов от опасных, непредсказуемых вспышек на Солнце, выяснило новое исследование. Спустя более чем 50 лет после последней миссии «Аполлон» программа NASA Artemis нацелена на возвращение человека на Луну. Чтобы добиться успеха, проект должен уберечь астронавтов от солнечной радиации, особенно от интенсивных и непредсказуемых выбросов во время солнечных бурь. Покрывать весь корабль достаточно толстым слоем радиационной защиты по-прежнему нецелесообразно из-за ограничений по весу, но обернуть астронавтов в защитную одежду — потенциально полезная альтернатива.

В новом исследовании учёные экспериментировали с жилетом AstroRad, разработанным израильским стартапом StemRad при поддержке Израильского космического агентства и аэрокосмического гиганта Lockheed Martin. Одежда была создана для защиты астронавтов от солнечных взрывов, известных как события солнечных частиц. «Радиация в космосе неизбежна, а одно крупное событие солнечных частиц может внести существенный вклад в пожизненный риск радиационно-индуцированного рака у астронавта, — рассказал соавтор исследования Орен Мильштейн, генеральный директор и соучредитель StemRad. — Значительно снижая этот вклад, персональная защита может оказаться особенно важной для будущих лунных и марсианских миссий».

Когда речь заходит о защите от радиации, свинец отлично блокирует опасные формы света, такие как рентгеновские и гамма-лучи. Однако против опасных частиц, летящих сквозь космос, свинец гораздо менее эффективен. Например, когда быстрые высокоэнергетические электроны, известные как бета-частицы, ударяются о плотные атомы свинца, они могут вызвать ливень рентгеновских лучей, более вредоносных, чем сами бета-частицы. А если нейтроны попадают в атомы свинца, они способны выбить из ядер поток вторичных нейтронов, усугубляя воздействие радиации. Вместо свинца AstroRad использует плотный пластик, богатый водородом. Среди элементов водород обладает самой высокой плотностью электронов на атом, что помогает создавать плотный щит от налетающих частиц; при этом у атомов водорода обычно нет нейтронов, поэтому нейтронные удары не порождают опасных вторичных потоков, как в случае со свинцом. Пластик в AstroRad к тому же значительно легче свинца, что делает его удобнее для одежды и практичнее для миссий, где вес является жёстким ограничением.

Чешуя из шестигранников и органы-мишени

Учёные соединили тысячи шестигранных стержней из жёсткого пластика наподобие чешуи, чтобы создать гибкое изделие. Каждый жилет весил около 26 килограммов. Жилет, а не полный костюм или шлем, был выбран потому, что «разные органы и ткани имеют очень разную чувствительность к радиации, поэтому экранировать всё тело равномерно — не самый эффективный подход», объяснил соавтор исследования Джордан Хури, ведущий научный сотрудник StemRad по космическим исследованиям. «К тому же полный костюм было бы гораздо труднее надевать и в нём сложнее двигаться».

Толщина защиты жилета AstroRad рассчитывалась исходя из того, насколько чувствительны к радиации органы под ним. Такая стратегия даёт примерно на 30 процентов большее снижение получаемой дозы по сравнению с равномерным распределением того же количества защиты по всему телу, отметил Хури.

Манекены с именами и полёт вокруг Луны

Исследователи испытали жилет во время беспилотной лунной миссии NASA Artemis I в конце 2022 года, используя пару необычайно сложных манекенов, называемых фантомами. Эти искусственные торсы были изготовлены из пластиков, имитирующих плотность человеческих тканей, костей и органов, и оснащены более чем 5600 датчиками радиации на поверхности и внутри. Оба фантома были выполнены в виде взрослых женщин, поскольку предыдущие исследования показали, что молочные железы и яичники особенно уязвимы для радиационного поражения. «У женщин прогнозируется более высокий риск радиационно-индуцированного рака, — сказал Мильштейн. — Таргетированная защита могла бы помочь сократить эту разницу в риске между астронавтами-мужчинами и женщинами».

Поскольку фантомы имитировали женщин, им дали женские имена — Зохар и Хельга. «Хельгу предоставил эксперименту Немецкий аэрокосмический центр, и Хельга — традиционное немецкое имя, — пояснил Мильштейн. — Зохар предоставило Израильское космическое агентство, выбравшее имя через публичную кампанию. Зохар — традиционное еврейское имя, означающее "сияние", что мы сочли особенно уместным».

Зохар и Хельга летели сидя в космическом корабле NASA Orion; Зохар была оснащена жилетом AstroRad, Хельга — нет. Хотя Orion не встретил значительной солнечной вспышки за 26 дней полёта к лунной орбите и обратно, исследователи смогли экстраполировать, сколько солнечной радиации получили бы астронавты, опираясь на то, что фантомы испытали при прохождении внутреннего радиационного пояса Ван Аллена вокруг Земли. Проанализировав прошлые события солнечных частиц, учёные установили: жилет AstroRad значительно снизил бы дозу радиации во время таких вспышек — например, почти на 60 процентов для события августа 1972 года. «Мы изначально ожидали скорее 45 процентов, поэтому, впервые увидев результат, подумали, что нужно вернуться и найти ошибку, — признался Хури. — Вместо этого детальный анализ показал, что подход AstroRad с таргетированной защитой наиболее чувствительных к радиации органов и тканей оказался даже эффективнее, чем мы рассчитывали».

Такое снижение способно избавить астронавта от дозы, эквивалентной 193 дням пребывания в дальнем космосе. «Самое важное следствие в том, что AstroRad может помочь преодолеть один из главных медицинских барьеров, ограничивающих длительное присутствие человека за пределами Земли», — подчеркнул Мильштейн. Жилет не предназначен для постоянного ношения: «AstroRad разработан как аварийное средство на случай событий солнечных частиц, поэтому астронавты надевали бы его только при повышенном уровне радиации, как правило, на несколько часов или дней», — объяснил Хури. Впрочем, добавил Мильштейн, «хотя носить его всю миссию не требуется, мы спроектировали жилет так, чтобы он оставался пригодным для использования много часов подряд», и во время испытаний на МКС «несколько членов экипажа даже спали в нём».

Уровень защиты, обеспечиваемый жилетом AstroRad, оказался сопоставим с защитой бортового штормового убежища корабля Orion, «при этом позволяя астронавту покидать убежище и продолжать критически важные задачи», отметил Хури. Учёные сейчас исследуют, можно ли производить радиационную защиту в космосе из бортовых материалов: в сотрудничестве с флоридской аэрокосмической компанией Redwire они «уже продемонстрировали возможность 3D-печати компонентов AstroRad из переработанного полиэтилена на борту МКС».

Источники:
Материал подготовлен на основе исследования, опубликованного в журнале Science Advances, интервью Орена Мильштейна и Джордана Хури изданию Space.com, данных эксперимента Matroshka AstroRad Radiation Experiment во время миссии NASA Artemis I, а также информации Немецкого аэрокосмического центра и Израильского космического агентства.