Радиация в космосе

07.12.2016

Радиация в космосе

Марсоход Curiosity имеет на борту прибор RAD для определения интенсивности радиоактивного облучения. В ходе своего полета к Марсу Curiosity производил замеры радиационного фона, а сегодня об этих результатах рассказали ученые, которые работают с NASA. Поскольку марсоход летел в капсуле, а датчик радиации располагался внутри, то эти замеры практически соответствуют тому радиационному фону, который будет присутствовать в пилотируемом космическом корабле.

Прибор RAD состоит из трех кремниевых твердотельных пластин, выступающих в качестве детектора. Дополнительно он имеет кристалл йодида цезия, который используется в качестве сцинтилятора. RAD установлен так, чтобы во время посадки смотреть в зенит и захватывать поле в 65 градусов.



Фактически это радиационный телескоп, который фиксирует ионизирующие излучения и заряженные частицы в широком диапазоне.

Эквивалентная доза поглощенного радиационного облучения в 2 раза превосходит дозу МКС. 



Шестимесячный полет к Марсу примерно равносилен 1 году проведенному на околоземной орбите. Учитывая, что общая длительность экспедиции должна составить около 500 суток, перспектива открывается не оптимистичная.

Для человека накопленная радиация в 1 Зиверт повышает риск раковых заболеваний на 5%. NASA позволяет своим астронавтам за свою карьеру, набирать не более 3% риска или 0,6 Зиверта.

Длительность жизни космонавтов ниже, чем средняя в их странах. Не менее четверти смертности приходится на онкологию.

Из 112 летавших российских космонавтов 28 уже нет с нами. Пять человек погибли: Юрий Гагарин — на истребителе, Владимир Комаров, Георгий Добровольский, Владислав Волков и Виктор Пацаев — при возвращении с орбиты на Землю. Василий Лазарев умер от отравления некачественным спиртом.

Из 22 остальных покорителей звездного океана для девяти причиной смерти стала онкология. От рака скончались Анатолий Левченко (47 лет), Юрий Артюхин (68), Лев Демин (72), Владимир Васютин (50), Геннадий Стрекалов (64), Геннадий Сарафанов (63), Константин Феоктистов (83), Виталий Севастьянов (75). Официальная причина смерти еще одного космонавта, умершего от рака, не раскрывается. Для полетов за пределы Земли отбирают самых здоровых, самых крепких.

Итак, девять умерших от рака из 22 космонавтов составляют 40,9%. Теперь обратимся к аналогичной статистике в целом по стране. В прошлом году покинули сей мир 1 млн 768 тысяч 500 россиян (данные Росстата). При этом от внешних причин (транспортных ЧП, отравлений алкоголем, самоубийств, убийств) умерли 173,2 тысячи. Остается 1 млн 595 тысяч 300. Скольких граждан загубила онкология? Ответ: 265,1 тысячи человек. Или 16,6%. Сравним: 40,9 и 16,6%. Выходит, обычные граждане от рака умирают в 2,5 раза реже, чем космонавты. 

По отряду астронавтов США аналогичных сведений нет. Но даже отрывочные данные свидетельствуют: онкология косит и американских звездоплавателей. Вот неполный список жертв страшной болезни: Джон Свайгерт-младший — рак костного мозга, Дональд Слейтон — рак мозга, Чарлз Вич — рак мозга, Дэвид Уолкер — рак, Алан Шепард — лейкемия, Джордж Лоу — рак толстой кишки, Рональд Пэриз — опухоль головного мозга.

За один полет на орбиту Земли каждый член экипажа получает такое облучение, как если бы 150–400 раз побывал на обследовании в рентгеновском кабинете.

С учетом того, что на МКС ежедневная доза составляет до 1 мЗв (годовая допустимая доза для человека на земле), то предельный срок пребывания астронавтов на орбите ограничивается примерно 600 сутками за всю карьеру.

На самом Марсе радиация должна быть примерно в два раза ниже, чем в космосе, из-за атмосферы и пылевой взвеси в ней т. е. соответствовать уровню МКС, но точных показателей еще не публиковали. Интересны будут показатели RAD в дни пылевых бурь — узнаем насколько марсианская пыль является хорошим радиационным экраном.

Сейчас рекорд пребывания на околоземной орбите принадлежит 55-летнему Сергею Крикалеву — на его счету 803 суток. Но он набрал их с перерывами — всего он совершил 6 полетов с 1988 по 2005 год.



Радиация в космосе возникает в основном из двух источников: от Солнца — во время вспышек и коронарных выбросов, и от космических лучей, которые возникают во время взрывов сверхновых или других высокоэнергетических событий в нашей и других галактиках.

На иллюстрации: взаимодействие солнечного «ветра» и магнитосферы Земли.



Космические лучи составляют основную долю радиации в межпланетном путешествии. На них приходится доля излучения в 1,8 мЗв в сутки. Лишь три процента облучения накоплено Curiosity от Солнца. Это связано еще и с тем, что полет проходил в сравнительно спокойное время. Вспышки повышают суммарную дозу, и она приближается к 2 мЗв в сутки.



Пики приходятся на солнечные вспышки.

Нынешние технические средства более эффективны против солнечной радиации, которая имеет невысокую энергию. Например, можно оборудовать защитную капсулу, где космонавты смогут скрываться во время солнечных вспышек. Однако, от межзвездных космических лучей не защитят даже 30 см алюминиевые стены. Свинцовые, вероятно, помогли бы лучше, но это значительно повысит массу корабля, а значит затраты на его выведение и разгон.

Возможно, придется собирать межпланетный космический корабль на орбите вокруг Земли - навешивать тяжелые свинцовые пластины для защиты от радиации. Или использовать для сборки Луну, где вес космолета будет ниже.

Наиболее эффективным средством минимизации облучения должны стать новые типы двигателей, которые существенно сократят время полета до Марса и обратно. NASA сейчас работает над солнечным электрореактивным двигателем и ядерным тепловым. Первый может в теории разогнаться до 20 раз быстрее современных химических двигателей, но разгон будет очень долгим из-за малой тяги. Аппарат с таким двигателем предполагается направить для буксировки астероида, который NASA хочет захватить и перевести на окололунную орбиту для последующего посещения астронавтами.

Наиболее перспективные и обнадеживающие разработки по электрореактивным двигателям ведутся по проекту VASIMR. Но для путешествия к Марсу солнечных панелей будет недостаточно — понадобится реактор.

Ядерный тепловой двигатель развивает удельный импульс примерно втрое выше современных типов ракет. Суть его проста: реактор нагревает рабочий газ (предполагается водород) до высоких температур без использования окислителя, который требуется химическим ракетам. При этом предел температуры нагрева определяется только материалом из которого изготовлен сам двигатель.

Но такая простота вызывает и сложности — тягой очень сложно управлять. NASA пытается решить эту проблему, но не считает разработку ЯРД приоритетной работой.

Применение ядерного реактора еще перспективно тем, что часть энергии можно было бы пустить на генерацию электромагнитного поля, которое бы дополнительно защищало пилотов и от космической радиации, и от излучения собственного реактора. Эта же технология сделала бы рентабельной добычу воды на Луне или астероидах, то есть дополнительно стимулировала коммерческое применение космоса.

Хотя сейчас это не более чем теоретические рассуждения, не исключено, что именно такая схема станет ключом к новому уровню освоения Солнечной системы.


Дополнительные требования к космическим и военными микросхемам.

В первую очередь — повышенные требования к надежности (как самого кристалла, так и корпуса), устойчивости к вибрации и перегрузкам, влажности, температурный диапазон — существенно шире, т. к. военная техника и в -40С должна работать, и при нагреве до 100С. 

Затем — стойкость к поражающим факторам ядерного взрыва — ЭМИ, большой мгновенной дозе гамма/нейтронного излучения. Нормальная работа в момент взрыва может быть невозможна, но по крайней мере прибор не должен необратимо выйти из строя. 

И наконец — если микросхема для космоса — стабильность параметров по мере медленного набора суммарной дозы облучения и выживание после встречи с тяжелым заряженным частицами космической радиации.


Как же влияет радиация на микросхемы?

В «штуках частиц» космическое излучение состоит на 90% из протонов (т.е. ионов dодорода), на 7% из ядер гелия (альфа-частиц), ~1% более тяжелые атомы и ~1% электроны. Ну и звезды (включая Cолнце), ядра галактик, Млечный путь — обильно освещают все не только видимым светом, но и рентгеновским и гамма излучением. Во время вспышек на солнце — радиация от солнца увеличивается в 1000-1000000 раз, что может быть серьёзной проблемой (как для людей будущего, так и нынешних космических аппаратов за пределами магнитосферы земли). 

Нейтронов в космическом излучении нет по очевидной причине — свободные нейтроны имеют период полураспада 611 секунд, и превращаются в протоны. Даже от солнца нейтрону не долететь, разве что с совсем уж релятивистской скоростью. Небольшое количество нейтронов прилетает с земли, но это мелочи. 

Вокруг земли есть 2 пояса заряженных частиц — так называемые радиационные пояса Ван Аллена: на высоте ~4000 км из протонов, и на высоте ~17000 км из электронов. Частицы там движутся по замкнутым орбитам, захваченные магнитным полем земли. Также есть бразильская магнитная аномалия — где внутренний радиационный пояс ближе подходит к земле, до высоты 200 км. 



Электроны, гамма и рентгеновское излучение.

Когда гамма и рентгеновское излучение (в том числе вторичное, полученное из-за столкновения электронов с корпусом аппарата) проходит через микросхему — в подзатворном диэлектрике транзисторов начинает постепенно накапливаться заряд, и соответственно начинают медленно изменятся параметры транзисторов — пороговое напряжение транзисторов и ток утечки. Обычная гражданская цифровая микросхема уже после 5000 рад может перестать нормально работать (впрочем, человек может перестать работать уже после 500-1000 рад). 

Помимо этого, гамма и рентгеновское излучение заставляет все pn переходы внутри микросхемы работать как маленькие «солнечные батареи» — и если в космосе обычно радиация недостаточна, чтобы это сильно повлияло на работу микросхемы, во время ядерного взрыва потока гамма и рентгеновского излучения уже может быть достаточно, чтобы нарушить работу микросхемы за счет фотоэффекта.

На низкой орбите 300-500км (там где и люди летают) годовая доза может быть 100 рад и менее, соответственно даже за 10 лет набранная доза будет переносима гражданскими микросхемами. А вот на высоких орбитах >1000km годовая доза может быть 10000-20000 рад, и обычные микросхемы наберут смертельную дозу за считанные месяцы.


Тяжелые заряженные частицы (ТЗЧ) — протоны, альфа-частицы и ионы больших энергий

Это самая большая проблема космической электроники — ТЗЧ имеют такую высокую энергию, что «пробивают» микросхему насквозь (вместе с корпусом спутника), и оставляют за собой «шлейф» заряда. В лучшем случае это может привести к программной ошибке (0 стать 1 или наоборот — single-event upset, SEU), в худшем — привести к тиристорному защелкиванию (single-event latchup, SEL). У защелкнутого чипа питание закорачивается с землей, ток может идти очень большой, и привести к сгоранию микросхемы. Если питание успеть отключить и подключить до сгорания — то все будет работать как обычно. 

Возможно именно это было с Фобос-Грунтом — по официальной версии нерадиационностойкие импортные микросхемы памяти дали сбой уже на втором витке, а это возможно только из-за ТЗЧ (по суммарной набранной дозе излучения на низкой орбите гражданский чип мог бы еще долго работать).

Именно защелкивание ограничивает использование обычных наземных микросхем в космосе со всякими программными хитростями для увеличения надежности. 


Что будет, если защитить космический аппарат свинцом?

С галактическими космическими лучами к нам иногда прилетают частицы с энергией 3*1020 eV, т.е. 300000000 TeV. В человеко-понятных единицах, это около 50Дж, т.е. в одной элементарной частице энергия как у пули мелкокалиберного спортивного пистолета. 

Когда такая частица сталкивается например с атомом свинца радиационной защиты — она просто разрывает его в клочья. Осколки также будут иметь гигантскую энергию, и также будут разрывать в клочья все на своём пути. В конечном итоге — чем толще защита из тяжелых элементов — тем больше осколков и вторичной радиации мы получим. Свинцом можно сильно ослабить только относительно мягкую радиацию земных ядерных реакторов. 

Аналогичным эффектом обладает и гамма-излучение высоких энергий — оно также способно разрывать тяжелые атомы в клочья за счет фотоядерной реакции.


Происходящие процессы можно рассмотреть на примере рентгеновской трубки.




Электроны от катода летят в сторону анода из тяжелого металла, и при столкновении с ним — генерируется рентгеновское излучение за счет тормозного излучения.

Когда электрон космического излучения прилетит к нашему кораблю — то наша радиационная защита и превратится в естественную рентгеновскую трубку, рядом с нашими нежными микросхемами и еще более нежными живыми организмами.

Из-за всех этих проблем радиационную защиту из тяжелых элементов, как на земле — в космосе не используют. Используют защиту большей частью состоящую из алюминия, водорода (из различных полиэтиленов и проч), т. к. его разбить можно только на субатомные частицы — а это намного сложнее, и такая защита генерирует меньше вторичной радиации. 

Но в любом случае, от ТЗЧ защиты нет, более того — чем больше защиты — тем больше вторичной радиации от высокоэнергетических частиц, оптимальная толщина получается порядка 2-3мм алюминия. Самое сложное что есть — это комбинация защиты из водорода, и чуть более тяжелых элементов (т.н. Graded-Z) — но это не сильно лучше чисто «водородной» защиты. В целом, космическую радиацию можно ослабить примерно в 10 раз, и на этом все.



Ссылка на статьи:  Радиация в космосе / Проверка воздействия радиации на мышей на орбите 800 км / Как защитить космонавтов от радиации? / Космический рентген из Туманности Омара / Космос полон рентгеновских лучей, происходящих от неизвестных источников / Проверка на обезьянах космического рентгена / Жесткий галактический рентген успешно сфокусировали на снимке / Космический рентген и здоровье / Врач-космонавт Валерий Поляков дольше всех был в космосе / Пояса Ван-Аллена / Новые источники рентгена в космосе / Рентгеновская супервспышка на Солнце 6 сентября 2017 года