Есть ли радиация в космическом пространстве?

Tesla Energy

Главный источник энергии на красной планете – электричество. Его надо добывать и хранить. Для этой цели Tesla в 2016 году приобрела стартап SolarCity (Фримонт, Калифорния), который к тому времени уже был одним из крупнейших игроков на американском рынке солнечной энергетики. Первоначальной задачей компании было усеять крыши домов солнечными панелями, которые бы полностью покрывали потребности домохозяйств в электроэнергии. Революция, совершенная SolarCity, состоит в том, что решение о переходе на солнечную энергию из морально-этической плоскости перешло в чисто экономическую.

Цель: ускорить переход мира к возобновляемой энергетике.

Достижения: система Solar Roof для выработки электричества с помощью расположенных на крыше батарей. Домашний аккумулятор Powerwall – устройства последнего поколения способны накапливать до 13,5 кВт/ч. Накопители промышленных масштабов – Powerpack (232 кВт/ч) и Megapack (3 МВт/ч).

Так откуда же все это берется?

Основная и преобладающая часть исходит от Солнца. Однако есть еще космические лучи, попадающие в Солнечную систему из других регионов Галактики, хотя их воздействие ничтожно мало. Магнитное поле Земли (и в какой-то степени слабое магнитное поле межпланетного пространства) отклоняет их в сторону. Из расчетов известно, что облучение на МКС за счет космических лучей – лишь шесть джоулей энергии в течение шести месяцев. Это эквивалент средней дозы, которую получает житель нашей планеты до 45 лет.

Но для полетов за пределы Земли, где нет защитного магнитного поля, космические лучи становятся серьезной опасностью. Миссия Curiosity предоставила данные, что дозы существенно выше, чем ожидалось. Если люди отправились в круговой полет на Марс, то они накопили бы радиации в четыре раза больше, чем рассчитанная предельная доза для космонавтов за всю жизнь. И это произошло бы именно за счет космических лучей.

Основным источником радиационного воздействия на МКС считается небольшой участок у побережья Южной Америки, называемый Южно-Атлантической аномалией. Этот регион странным образом имеет очень слабое магнитное поле

Это важно, т.к. это означает, что в этой области происходит недостаточное отклонение заряженных частиц, исходящих от Солнца и внутреннего радиационного пояса Ван Аллена – одного из двух радиационных слоев, окружающих Землю, находящихся на высотах 1-60 тыс

км. Эти радиационные пояса представляют серьезную проблему для пилотируемых космических миссий. Всего лишь несколько землян пролетали через них –это было в экспедициях Аполлонов. К счастью, быстрое их прохождение помогло уменьшить общую дозу.

В то время как везде отклонение заряженных частиц происходит намного выше орбиты станции, Южно-Атлантическая аномалия позволяет им проникать значительно ниже, чем высота МКС (330-435 км). Таким образом радиация будет оказывать влияние на станцию несколько минут в день или около того

Именно поэтому конструкторам пришлось принять во внимание такой факт и существенно повысить уровень радиационной защиты

Последний источник радиации на МКС– геомагнитные бури. Всем хорошо известно полярное сияние. Его можно наблюдать на Северном и Южном полюсе, когда высокоэнергетические электроны от Солнца достигают верхних слоев атмосферы в месте, где замыкаются магнитные поля. Обычно космонавты могут издали видеть и наслаждаться этими впечатляющими и красивыми вспышками, но орбита станции рассчитана таким образом, чтобы никогда не проходить через эту зону. Но иногда, во время геомагнитных бурь, вызванных повышенной солнечной активностью, полярное сияние возникает в более низких широтах, и станция проходит прямо через него.

Это происходило несколько раз за последние полгода, по крайней мере два случая зафиксированы как очень серьезные. Чтобы в таком случае не получить большую дозу излучения, космонавты перемещаются в специальные экранированные места и остаются там, до прекращения геомагнитной бури. Но полностью защититься даже в таких местах не удается, поэтому вопрос, как уберечь экипаж от солнечной активности (вспышки и корональные выбросы массы) очень актуален для будущих пилотируемых полетов.

Если принять все эти явления во внимание при вычислениях суммарной дозы, полученной МКС за шесть месяцев, то она равняется 300 джоулям, что фактически граничит со смертельными уровнями. На Земле человек получает 0,07 джоулей за аналогичный период

Конечно, долговременное воздействие очень отличается от короткого интенсивного всплеска. Только люди, которые потратили бы шесть месяцев, находясь в открытом космосе, фактически получат эту летальную дозу, однако МКС защищает их. На практике это экранирование сводит полученную дозу за сутки до уровней, которые мы получаем на Земле за год, но это по-прежнему, почти в 365 раз выше. Это сравнение явно указывает на первостепенную проблему при организации пилотируемого полета за пределы Земли.

Миллион лет в мгновение ока

Ближайшая встреча «Вояджера-2» со звездой произойдет примерно через 40 000 лет. Аппарату «Вояджер-1» и обоим «Пионерам» понадобится чуть больше времени, чтобы добраться до других солнц – около 90 000 лет («Пионер-10»), 300 000 лет («Вояджер-1») и 930 000 лет («Пионер-11»).

Когда «Вояжеры» и «Пионеры» достигнут других звезд, отсюда, с Земли, мы не сможем их разглядеть. Вообще, делать прогнозы относительно того, будет ли наша цивилизация процветать через миллион лет, невероятно сложно и вряд ли предоставляется возможным. А вот математические расчеты движения космических объектов достаточно точно описывают грядущее. Безусловно, всех нас волнует достигнут ли послания, высеченные на золотых пластинах «Вояджеров» и «Пионеров» своего адресата. По мнению авторов нового исследования, вероятность того, что инопланетяне заметят посланников с Земли и смогут расшифровать послание, крайне мала, а по космическим меркам миллион лет – лишь мгновение.

Так выглядит позолоченная информационная пластинка «Вояджера» с записью звуковых и видеосигналов, упакованная в алюминиевый футляр.

Но где окажутся наши космические путешественники спустя два, три и даже пять миллионов лет? Как пишет в своей статье редактор портала SingularityHub Джейсон Дорриер, не исключено, что «Вояджеры», «Пионеры» или «Новые горизонты» вторгнуться в чужие звездные системы, прямо как удивительный Оумуамуа и комета Борисова посетили Солнечную систему.

Неизвестно, суждено ли хотя бы одному из пяти космических путешественников завершить свой путь в руках инопланетной цивилизации, способной расшифровать послание и обнаружить нашу крохотную планету. Возможно, когда-нибудь, на просторах бесконечной Вселенной кто-то, поставив золотую пластину «Вояджера», насладиться пением Чака Берри и Вилли Джонсона.

Откуда мы знаем о межпланетной радиации?

В космонавтике применяется несколько разных методов регистрации радиации, одни показывают фон в реальном времени, а другие накапливают воздействие и позволяют оценить суммарную дозу. Например советские лунные «Зонды» несли на борту т.н. «ядерные фотоэмульсии» — чувствительную к радиации фотопленку, проявление которой позволяло оценить дозу, накопленную внутри спускаемого аппарата корабля.

Астронавты Apollo носили на теле активные дозиметры на основе газоразрядной камеры, и пассивные термолюминесцентные и полимерные детекторы.

Сейчас на МКС и лунных аппаратах чаще всего запускают полупроводниковые кремниевые детекторы.

Радиацию у Луны и на Луне принялись изучать ещё до пилотируемых полётов. Так, первая успешно севшая автоматическая станция «Луна-9» несла на борту счетчик Гейгера, орбитальная «Луна-10» также несла несколько детекторов для разных типов излучения. Американцы тщательно регистрировали радиационные условия по пути на Луну и возле неё в 1966-67 гг в многомесячных наблюдениях на пяти аппаратах Lunar Orbiter.

Дозиметрические исследования велись и на орбитальных аппаратах нашего века. Индийцы считали дозу болгарским дозиметром на аппарате Chandrayaan 1 в 2008 году. NASA пять лет собирала данные дозиметром на аппарате LRO. Год назад свои результаты с поверхности Луны опубликовали и китайцы.

По пути на Марс и около него космическое излучение изучалось американским прибором RAD на марсоходе Curiosity, и российско-болгарским прибором на европейском орбитальном зонде ExoMars.

Ещё дальше залетела автоматическая межпланетная станция Rosetta. Она пролетала и рядом с Марсом и улетала до орбиты Юпитера, в своей погоне за кометой 67P Чурюмова-Герасименко.

Tesla Motors

На Марсе нет кислорода, а значит, транспорт там может быть только электрическим. Именно поэтому в Пало-Альто (Калифорния) в 2003 году была основана Tesla Motors. Маск возглавил компанию в 2008-м, сделав ее крупнейшим автопроизводителем мира. В Tesla Motors работают инженеры, которые занимались созданием американских марсоходов.

Цель: сделать электрический транспорт массовым.

Достижения: в 2020 году в мире было продано почти 500 тыс. электромобилей Tesla. Налажен выпуск четырех моделей, идет разработка внедорожника Cybertruck, родстера и грузовика Semi. Сеть заправок Tesla Supercharger насчитывает более 2000 станций. Отрабатывается и частично применяется система беспилотного управления Tesla Autopilot.

История физики космических лучей

Впервые указание на возможность существования ионизирующего излучения внеземного происхождения было получено в начале XX века в опытах по изучению проводимости газов. Обнаруженный спонтанный электрический ток в газе не удавалось объяснить ионизацией, возникающей от естественной радиоактивности Земли. Наблюдаемое излучение оказалось настолько проникающим, что в ионизационных камерах, экранированных толстыми слоями свинца, все равно наблюдался остаточный ток. В 1911—1912 годах был проведен ряд экспериментов с ионизационными камерами на воздушных шарах. Гесс обнаружил, что излучение растет с высотой, в то время как ионизация, вызванная радиоактивностью Земли, должна была бы падать с высотой. В опытах Кольхерстера было доказано, что это излучение направлено сверху вниз.

В 1921—1925 годах американский физик Милликен, изучая поглощение космического излучения в атмосфере Земли в зависимости от высоты наблюдения, обнаружил, что в свинце это излучение поглощается так же, как и гамма-излучение ядер. Милликен первым и назвал это излучение космическими лучами. В 1925 году советские физики Л. А. Тувим и Л. В. Мысовский провели измерение поглощения космического излучения в воде: оказалось, что это излучение поглощалось в десять раз слабее, чем гамма-излучение ядер. Мысовский и Тувим обнаружили также, что интенсивность излучения зависит от барометрического давления — открыли «барометрический эффект». Опыты Д. В. Скобельцына с камерой Вильсона, помещенной в постоянное магнитное поле, дали возможность «увидеть», за счет ионизации, следы (треки) космических частиц. Д. В. Скобельцын открыл ливни космических частиц. Эксперименты в космических лучах позволили сделать ряд принципиальных для физики микромира открытий.

В 1932 году Андерсон открыл в космических лучах позитрон. В 1937 году Андерсоном и Неддермейером были открыты мюоны и указан тип их распада. В 1947 году открыли π-мезоны. В 1955 году в космических лучах установили наличие К-мезонов, а также и тяжелых нейтральных частиц — гиперонов. Квантовая характеристика «странность» появилась в опытах с космическими лучами. Эксперименты в космических лучах поставили вопрос о сохранении четности, обнаружили процессы множественной генерации частиц в нуклонных взаимодействиях, позволили определить величину эффективного сечения взаимодействия нуклонов высокой энергии. Появление космических ракет и спутников привело к новым открытиям — обнаружению радиационных поясов Земли (1958 г., (С. Н. Вернов и А. Е. Чудаков) и, независимо от них в том же году, Ван Аллен), и позволило создать новые методы исследования галактического и межгалактического пространств.

Помешает ли радиация космическим полетам

(если лень читать, ответ в последнем абзаце)

Почти все знают, что в космосе люди страдают от жуткого излучения. Это правда, радиации там более чем достаточно. Грубо говоря, всю ее можно разделить на две части: частицы, имеющие электрический заряд, и нейтральные частицы. Магнитное поле Земли задерживает те частицы, которые имеют заряд. В основном это протоны, испускаемые Солнцем после коронарных вспышек и просто без повода. Считается, что на планетах, не имеющих магнитосферы, – таких, как Марс – а солнечным ветром. Нейтральные же частицы приходят из глубин нашей галактики и называются галактическими космическими лучами (ГКЛ). Они свободно проходят сковзь магнитное поле, но задерживаются атмосферой.

Поскольку МКС находится ниже радиационных поясов Земли, но выше атмосферы, космонавты на станции подвержены воздействию только нейтрального галактического излучения. Накопленная за один шестимесячный полет доза радиации для космонавта составляет в среднем 0,18 зиверт. Это на два порядка больше, чем за то же время на Земле. Если получить такую дозу за один день, можно схватить легкую форму лучевой болезни. Несмотря на это, заметных последствий излишнего облучения космонавтов врачи не выявили.

За пределами магнитосферы Земли дела будут обстоять примерно в два раза хуже. По данным, собранным американским космическим аппаратом MSL (Mars Science Laboratory) в открытом космосе и на поверхности Марса, за 180-дневное путешествие к Марсу, 540 дней пребывания на поверхности планеты и 180 дней обратного пути накопленная доза радиации составит 1,01 зиверта. Любопытно, что на самом Марсе уровень радиации примерно соответствует ее уровню на МКС. Влияние космической радиации на организм изучено недостаточно хорошо, но формально медицина утверждает, что участие в марсианской экспедиции увеличит риск заболевания раком на 3-5%.

На первый взгляд, это не критично. И это почти правда. Наверняка первые экспедиции в дальний космос будут происходить без особого внимания к радиации. Однако существует важная проблема. Как уже упоминалось выше, влияние излучения на организм сильно зависит от того, за какой срок получена доза. Мощные ливни солнечных протонов возникают после коронарных вспышек и могут длиться от нескольких часов до одних или, совсем редко, двух суток. При планировании миссии можно выбирать период, на который приходится минимум солнечной активности, и отправлять людей в космос небольшим риском. Но если специалисты ошибутся с прогнозом, космонавтам может грозить серьезная опасность.

К счастью, создать преграду протонам не так уж сложно. Хватит абляционного покрытия, которое обычно защищает спускаемые аппраты космических кораблей от перегрева во время посадки на Землю. Возникает другая проблема: галактические космические лучи (те самые, что не имеют электрического заряда и задерживаются атмосферой Земли) при попадании в защиту, предназначенную для остановки солнечных протонов, вызывают ливни опасных для здоровья вторичных частиц. Т. е. сам корабль за время перелета станет радиоактивным. В связи с этим имеет смысл идея включить в космический экспедиционный комплекс маленький защищенный «штормовой отсек», в котором космонавты смогут находиться только в наиболее опасные часы после коронарных выбросов. После этого они будут возвращаться в обычные модули, где им и предстоит провести основное время экспедиции.

Таким образом, радиация – проблема серьезная, но вполне решаемая на современном уровне развития технологий. Существуют и другие, менее известные проблемы. Например, некоторые ученые Института медико-биологических проблем РАН считают, что человек не сможет жить вне магнитного поля Земли больше нескольких недель.

Человеческий фактор

Ошибки — это то, что получается у людей лучше всего. Вспомните космические челноки «Челленджер» и «Колумбия»: трагическая гибель астронавтов была следствием самой обычной недоработки со стороны инженеров. В первом случае не выдержали резиновые уплотнительные кольца, во втором подвела изоляционная пена. Руководство НАСА знало об этих недоработках, но посчитало их несущественными лишь на том основании, что раньше они не приводили к критическим ситуациям. В итоге космонавты заплатили за эту халатность своими жизнями.

Вспомните пункт про проблемы с психикой: человек, который день за днем находится в стрессовом состоянии, склонен совершать ошибки намного чаще, чем здоровый и уверенный в себе специалист. Ошибки при посадке, нарушение работы внутренних систем корабля, потеря водоснабжения или других ресурсов — все это может привести к ужасным последствиям для экипажа. Безусловно, лучший способ решить проблему человеческого фактора — это проводить как можно больше предварительных испытаний и раз за разом учиться на ошибках, чтобы единожды возникшая критическая ситуация не повторялась в дальнейшем.

Войти на сайт

Читатели, интересующиеся проблемами космоса, наверняка прекрасно знают, что космическое пространство за пределами земной атмосферы буквально пронизано радиацией. Но для некоторых может оказаться большим открытием тот факт, что опасное для здоровья людей излучение может также сильно повредить электронное оборудование космических спутников и кораблей. Космическое пространство, как известно, является суровой средой. Там нет воздуха, практически нет гравитации (микрогравитация не в счет). Кроме того, в космосе очень холодно, да еще и подстерегает невидимая опасность в виде солнечной радиации. Как известно, радиационное облучение может стать причиной развития ряда серьезных заболеваний вплоть до рака. Считается, что солнечная радиация в этом плане представляет огромную опасность для астронавтов и является большой проблемой для дальних космических путешествий. Именно поэтому инженеры постоянно пытаются придумать максимально легкий, но в то же время эффективный против радиации материал, которым можно защитить бортовые компьютеры и другие части космических устройств. На данный момент для этих целей используются алюминиевые сплавы, но недавно ученые из американского штата Северная Каролина выяснили, что защитить электронное оборудование может даже ржавчина. Об этом внезапном открытии было написано в научном журнале Radiation Physics and Chemistry. Ученые выяснили, что воздействие космической радиации вполне успешно можно блокировать при помощи материала, состоящего из акрила и оксидов различных металлов. Если говорить проще, то основной частью нового противорадиационного слоя является ржавчина, которая образуется при взаимодействии металлов с кислородом во влажной среде. Только в данном случае речь идет не о железе, на котором чаще всего и образуется ржавчина, а о других, менее тяжелых по весу веществах.

Новое покрытие космических кораблей

В ходе лабораторных испытаний ученые выяснили, что созданный из по сути ржавого материала щит, уменьшает облучение космической радиацией примерно в 300 раз. Благодаря использованию нового материала, вес космических аппаратов можно уменьшить на целые 30%, сохранив при этом защищенность от опасных излучений. Или же, можно сделать аппараты чуть тяжелее обычного и на 30% увеличить защиту от радиации. По словам ученых, наиболее подходящими для создания нового материала веществами являются оксиды гадолиния, вольфрама и эрбия. Однако с учетом меньших веса и стоимости, наиболее предпочтительным веществом считается именно оксид гадолиния. Вообще, вместо оксидов ученые могли бы использовать и чистые металлы, тем более, что они обеспечивают еще большую защиту. Только вот они обладают большей стоимостью, токсичностью и могут помешать работе электронных устройств, поэтому выбор пал именно на оксиды. На данный момент ученые заняты поисками партнеров, которые помогут им создавать новый материал для обшивки космических аппаратов на коммерческом уровне. Вполне возможно, в скором будущем в космос полетят аппараты с совершенно новым покрытием, который значительно увеличит их срок службы и обеспечит бесперебойную работу

Ведь важно учитывать, что некоторые космические аппараты были выведены из строя именно из-за воздействия космического излучения и не завершили важные для научного сообщества космические миссии. Например, из-за космической радиации сломалась запущенная в 2011 году межпланетная станция «Фобос-Грунт»

Она предназначалась для доставки грунта из марсианского спутника Фобоса на Землю, но даже не смогла покинуть окрестности нашей планеты из-за сбоя бортового компьютера. Если верить официальной версии, причины возникновения проблемы, сбой произошел именно из-за воздействия космической радиации. Однако есть и неофициальное объяснение происшествию, которая гласит, что компьютер вышел из строя из-за сбоя на программном уровне.

источник

Что такое космическая радиация

Никто не собирается оспаривать факт того, что космическая радиация действительно существует и то, что воздействие ее на живые организмы очень сложно назвать положительным. Сам термин «космическая радиация» довольно обширен и используется для описания энергии, которая излучается в виде электромагнитных волн и/или других частиц, испускаемых небесными телами. При этом не все они являются опасными для человека. Например, люди могут воспринимать некоторые формы электромагнитного излучения: видимый свет можно (простите за тавтологию) увидеть, а инфракрасное излучение (тепло) можно почувствовать.

Между тем, другие разновидности излучения, такие как радиоволны, рентгеновские и гамма-лучи требуют специального оборудования для наблюдения. Самым опасным является ионизирующее излучение и именно его воздействие в большинстве случаев и называют той самой космической радиацией.

Кратко о космической радиации

Радиацией называют ионизирующее излучение, которое в космосе испускается во время событий, связанных с выделением энергии: процессы на Солнце, взрывы сверхновых, аккреционные диски черных дыр, выбросы квазаров… По физическим свойствам радиацию можно разделить на фотонное излучение — рентген и гамма-лучи; и корпускулярное излучение — электроны, протоны, альфа-частицы, тяжелые заряженные частицы, вторичные нейтроны. По источнику, космическое излучение разделяется на солнечное и галактическое (включая внегалактическое).

Разделение этих типов излучения крайне важно для понимания специфики межпланетных полётов. Например, в земной атомной энергетике приходится учитывать прежде всего гамма и нейтронное излучение

В космосе же гамма незначительна, а нейтроны возникают только от взаимодействия космических лучей с атмосферой, грунтом или корпусом корабля. Зато в открытом космосе наиболее опасными частицами оказываются протоны (ядра атома водорода), альфа (ядра атома гелия) и ядра атомов более тяжелых элементов.

У Земли есть ещё радиационные пояса, но стартующий на межпланетные орбиты корабль пересекает наиболее опасную их часть всего за полчаса, поэтому в контексте длительных полётов ими можно пренебречь. Про сами радпояса уже рассказывалось ранее.

При оценке радиационного воздействия сейчас обычно оперируют двумя единицами: в греях измеряется энергия поглощенного излучения, а в зивертах — биологический эквивалент этого излучения. Разница между ними в факторе, имеющем прекрасное название «коэффициент качества». Он означает насколько пагубное для организма воздействие оказывает радиация. Для примера, одинаковая в греях доза гамма излучения и нейтронного излучения в зивертах будет различаться до двадцати раз — нейтроны намного опаснее, т.е. выше их коэффициент качества.