Текст, представленный ниже, нужно расценивать как личное мнение автора. Никакой секретной информацией (или доступом к ней) он не обладает. Всё, что изложено - это факты из открытых источников плюс немного здравого смысла («диванной аналитики», если угодно).
Научная фантастика - все эти бластеры и «пиу-пиу» в открытом космосе на крошечных одноместных истребителях - приучила человечество серьезно переоценивать доброжелательность Вселенной по отношению к теплым белковым организмам. Особенно сильно это проявляется, когда фантасты описывают путешествия к другим планетам. Увы, освоение «настоящего космоса» вместо привычных нам нескольких сотен «камэ» под защитой магнитного поля Земли будет более трудным предприятием, чем представлялось обывателю всего десятилетие назад.
Итак, вот мой главный тезис. Психологический климат и конфликты внутри экипажа далеко не главные проблемы, с которыми столкнется человек при организации пилотируемых полетов на Марс.
Главная проблема человека, путешествующего за пределы магнитосферы Земли - проблема с большой буквы «Р».
Что такое космическая радиация и почему мы не гибнем от нее на Земле
Ионизирующее излучение в космосе (за пределами нескольких сотен километров околоземельного пространства, которые человек действительно освоил) состоит из двух частей.
Излучение Солнца. Это, прежде всего, «солнечный ветер» - поток частиц, который постоянно «дует» во все стороны от светила и который чрезвычайно хорош для будущих космических парусников, потому что позволит им как следует разогнаться для путешествий за пределы Солнечной системы. Вот только для живых существ основная часть этого ветра не особо полезна. Замечательно, что нас от жесткой радиации защищают толстый слой атмосферы, ионосфера (та, где озоновые дыры), а еще мощное магнитное поле Земли.
Помимо ветра, который разлетается более-менее равномерно, наше светило еще периодически постреливает так называемыми солнечными вспышками. Последние представляют собой выбросы коронарного вещества Солнца. Они настолько серьезны, что время от времени приводят к проблемам у людей и техники даже на Земле, где самое веселье, повторюсь, недурственно экранируется.
Итак, у нас есть атмосфера и магнитное поле планеты. В уже довольно близком космосе, на расстоянии десятка-другого тысяч километров от Земли, солнечная вспышка (даже слабая, всего-то пара Хиросим), попав в корабль, гарантированно выведет его живую начинку из строя без малейших шансов на выживание. Помешать этому сегодня - при текущем уровне развития технологий и материалов - нам абсолютно нечем. По этой и только по этой причине многомесячное путешествие к Марсу человечеству придется отложить до времени, когда мы не решим эту проблему хотя бы частично. Также его придётся планировать в периоды наиболее спокойного солнца и много молиться всем техническим богам.
Космические лучи. Эти вездесущие злодейские штуки несут огромное количество энергии (больше, чем способен закачать в частицу БАК). Они приходят из других частей нашей галактики. Попадая в щит земной атмосферы, такой луч взаимодействует с ее атомами и расшибается на десятки менее энергичных частиц, которые каскадно порождают потоки еще менее энергичных (но тоже опасных) и в итоге все это великолепие проливается радиационным дождём на поверхность планеты. Примерно 15% от фонового излучения на Земле приходится на гостей из космоса. Чем выше ты живешь над уровнем моря, тем выше ловимая в течении жизни доза. И происходит это круглосуточно.
В качестве школьного упражнения попробуйте представить, что произойдёт с космическим кораблём и его «живой начинкой» в случае прямого попадании в них такого луча где-нибудь в открытом космосе. Лететь к Марсу, напомню, предстоит несколько месяцев, кораблик для этого предстоит строить здоровенный и вероятность описанного выше «контакта» (а то и не одного) достаточно велика. Просто пренебречь ею при длительных полетах с живым экипажем, увы, никак не получится.
Что ещё?
Помимо той радиации, что долетает до Земли от Солнца, есть ещё та солнечная радиация, которую магнитосфера планеты отталкивает, не пропускает внутрь и самое главное - накапливает*. Знакомьтесь, читатели. Это радиационный пояс Земли (РПЗ). Он же пояс Ван Аллена, как его называют за рубежом. Преодолеть его космонавтам предстоит что называется «на полных парах», чтобы не получить летальную дозу радиации всего за несколько часов. Повторный контакт с этим поясом - если мы вопреки здравому смыслу решим вернуть астронавтов с Марса на Землю - запросто может их добить.
*Значительная доля частиц пояса Ван Аллена приобретает опасную скорость уже в самом поясе. То есть он не только защищает нас от радиации извне, но еще и усиливает эту накопленную радиацию.
До сих пор речь шла об открытом космосе. Но не нужно забывать о том, что у Марса (в отличие от Земли) почти нет магнитного поля**, а атмосфера разрежённая и дохленькая, так что подвергаться воздействию этих негативных факторов люди будут не только в полёте.
**Ладно, немножко есть - в районе южного полюса.
Отсюда вывод. Жить будущим колонистам вероятнее всего предстоит не на поверхности планеты (как нам показывали в эпичном кино «Миссия на Марс»), а глубоко под ней.
Как быть?
Прежде всего, видимо, не питать иллюзий на скорое (в течение десятка-другого-третьего лет) разрешение всех этих проблем. Чтобы избежать гибели экипажа от лучевой болезни, нам придётся или вообще его туда не посылать и осваивать космос с помощью умных машин (кстати, не самое глупое решение), либо очень здорово поднапрячься, потому что, если я прав, то отправка людей на Марс с созданием там постоянной колонии - задача для одной страны (хоть США, хоть России, хоть Китая) в ближайшие полстолетия, а то и дольше совершенно неподъёмная. Один корабль для такой миссии обойдется в сумму, эквивалентную постройке и полному обслуживанию пары-тройки МКС (см. ниже).
И да, забыл сказать: пионеры Марса будут заведомо «смертниками», поскольку ни обратной дороги, ни долгой и комфортной жизни на Марсе обеспечить им в ближайшие полвека у нас, скорее всего, получится.
Как теоретически могла бы выглядеть миссия на Марс, имей мы для этого все ресурсы и технологии старушки-Земли? Сравните описанное ниже с тем, что вы видели в культовом фильме «Марсианин».
Миссия на Марс. Условно реалистичная версия
Во-первых, человечеству предстоит сильно напрячься и построить циклопических размеров космический корабль с мощной антирадиационной защитой, который сможет частично компенсировать адскую лучевую нагрузку на экипаж за пределами магнитного поля Земли и обеспечить доставку более-менее живых колонистов на Марс - в один конец.
Как может выглядеть такой корабль?
Это здоровенная махина в десятки (а лучше сотни) метров в поперечнике, обеспеченная собственным магнитным полем (сверхпроводящие электромагниты) и источниками энергии для его поддержания (атомные реакторы). Огромные размеры конструкции позволяют набить её изнутри поглощающими радиацию материалами (например, это может быть вспененный освинцованный пластик или герметичные контейнеры с простой либо «тяжелой» водой), которые десятилетиями (!) предстоит возить на орбиту и монтировать вокруг сравнительно крошечной капсулы жизнеобеспечения, куда потом мы поместим астронавтов.
Помимо размеров и дороговизны, марсианский корабль должен быть чертовски надежным и, главное, полностью автономным в плане управления. Чтобы доставить экипаж живым безопаснее всего будет погрузить его в искусственную кому и немного охладить (всего на пару-тройку градусов), чтобы замедлить метаболические процессы. В таком состоянии люди а) будут менее чувствительны к радиации, б) занимают меньше места и их дешевле экранировать от все той же радиации.
Очевидно, помимо корабля, нужен искусственный интеллект, способный уверенно доставить корабль на орбиту Марса, выгрузить колонистов на его поверхность, не повредив в процессе ни себя, ни груз, а потом ещё без участия людей вернуть астронавтов в сознание (уже на Марсе). Пока таких технологий у нас нет, но есть некоторая надежда, что подобный ИИ, а главное политические и экономические ресурсы для постройки описанного корабля, появятся у нас, допустим, ближе к середине столетия.
Хорошей новостью является то, что марсианский «паром» для колонистов вполне может быть многоразовым. Ему предстоит как челноку курсировать между Землёй и конечным пунктом, доставляя в колонию партии «живого груза» на замену выбывших «от естественных причин» людей. Для доставки «неживого» груза (еды, воды, воздуха и техники) противолучевая защита особо не нужна, так что марсианским грузовиком суперкорабль делать не обязательно. Он нужен исключительно для доставки колонистов и, возможно, семян растений / молоди сельскохозяйственных животных.
Во-вторых, нужно заранее забросить на Марс технику и запасы воды-еды-кислорода на экипаж из 6-12 человек на 12-15 лет (с учётом всех форс-мажоров). Это само по себе нетривиальная задачка, но допустим, что в ресурсах для ее решения мы не ограничены. Предположим, что войны и политические пертурбации Земли утихли, а на марсианскую миссию работает в едином порыве вся планета.
Забрасываемая на Марс техника, как вы уже должны догадаться, представляет собой полностью автономных роботов с искусственным интеллектом и питанием от компактных ядерных реакторов. Им предстоит методично в течение десятка-полутора лет отрыть сначала глубокий тоннель под поверхность красной планеты. Затем - ещё за несколько лет - небольшую сеть тоннелей, в которую предстоит втащить блоки жизнеобеспечения и запасы для будущей экспедиции, а потом все это герметично смонтировать в автономный подмарсианский поселок.
Метроподобное обиталище кажется оптимальным решением по двум причинам. Во-первых, оно экранирует космонавтов от космических лучей уже на самом Марсе. Во-вторых, из-за остаточной «марсотермальной» активности недр под поверхностью планеты на градус-другой теплее, чем снаружи. Это пригодится колонистам как для экономии энергии, так и для выращивания картошки на собственных фекалиях.
Уточним важный момент: строить колонию придётся в южном полушарии, где на планете ещё сохранилось остаточное магнитное поле.
Выходить на поверхность астронавтам в идеале не придётся вообще (Марс «вживую» они или не увидят совсем, или увидят один раз - при посадке). Всю работу на поверхности предстоит делать роботам, действиями которых колонистам предстоит руководить из своего бункера всю их недолгую жизнь (лет двадцать при удачном стечении обстоятельств).
В-третьих, надо поговорить о самом экипаже и методах его подбора.
Идеальной схемой последнего станет поиск по всей Земле… генетически идентичных (монозиготных) близнецов, один из которых только что превратился в донора органов (например, «удачно» попав в автокатастрофу). Звучит до крайности цинично, но пусть это не помешает вам дочитать текст до конца.
Что нам дает близнец-донор?
Погибший близнец даёт возможность своему брату (или сестре) стать идеальным колонистом на Марсе. Дело в том, что красный костный мозг первого, будучи доставлен на красную планету в дополнительно защищённом от радиации контейнере, можно будет перелить близнецу-астронавту. Тем самым повышаются шансы на выживание оного при лучевой болезни, остром лейкозе и других неприятностях, которые с колонистом весьма вероятно приключатся за годы миссии.
Итак, как выглядит процедура отсева будущих колонистов?
Отбираем несколько миллионов близнецов. Ждём, пока что-то происходит с одним из них, и делаем предложение оставшемуся. Набирается пул из, скажем, ста тысяч потенциальных кандидатов. Теперь внутри этого пула проводим итоговый отбор на психологическую совместимость и профпригодность.
Естественно, для расширения выборки отбирать астронавтов придётся по всей Земле, а не в одной или двух странах.
Ещё бы, конечно, здорово помогла некая технология выявления особо устойчивых к облучению кандидатов. Известно, что некоторая часть людей гораздо более устойчива к радиации, чем другая. Наверняка её можно выявить с помощью неких генетических маркеров. Если дополнить этим методом идею с близнецами, вместе они должны существенно повысить выживаемость марсианских колонистов.
Помимо этого, полезно было бы научиться переливать людям костный мозг в невесомости. Это не единственная штука, которую предстоит изобрести специально под этот проект, но, по счастью, время у нас ещё есть, а МКС пока что болтается на орбите Земли будто специально для отработки подобных технологий.
PS. Я должен специально оговориться, что принципиальным противником космических путешествий я не являюсь и верю, что рано или поздно «космос будет наш». Вопрос только в цене этого успеха, а также во времени, которое человечество затратит на отработку необходимых технологий. Мне кажется, под влиянием научной фантастики и массовой культуры многие из нас довольно беспечны в смысле понимания трудностей, которые на этом пути предстоит преодолеть. Чтобы несколько отрезвить эту часть «космооптимистов » и написан этот текст.
Во и частях я расскажу какие еще варианты у нас имеются в вопросе освоения космоса человеками в долгосрочной перспективе.
Космическая радиация представляет большую проблему для конструкторов космических аппаратов. Они стремятся защитить от нее космонавтов, которым предстоит находиться на поверхности Луны или отправиться в длительные путешествия в глубины Вселенной. Если необходимая защита не будет обеспечена, то эти частицы, летящие с огромной скоростью, проникнут в тело космонавта, повредят его ДНК, что может повысить риск раковых заболеваний. К сожалению, до сих пор все известные способы защиты либо неэффективны, либо неосуществимы.
Материалы, традиционно применяемые для строительства космических аппаратов, например алюминий, задерживают некоторые космические частицы, но для многолетних полетов в космосе нужна более крепкая защита.
Аэрокосмическое агентство США (NASA) охотно берётся за самые сумасбродные, на первый взгляд, идеи. Ведь никто наверняка не может предсказать - какая из них однажды обернётся серьёзным прорывом в космических исследованиях. В агентстве работает специальный институт перспективных концепций (NASA Institute for Advanced Concepts - NIAC), призванный аккумулировать именно такие разработки - на очень дальнюю перспективу. Через этот институт NASA распределяет гранты в различные университеты и институты - на разработку "гениальных безумств".
Сейчас изучаются следующие варианты:
Защита определенными материалами.
Некоторые материалы, например вода или полипропилен, обладают хорошими защитными свойствами. Но для того, чтобы защитить ими космический корабль, их понадобится очень много, вес корабля станет недопустимо велик.
В настоящее время, сотрудники NASA разработали новый сверхпрочный материал, родственный полиэтилену, который собираются использовать при сборке космических кораблей будущего. "Космическая пластмасса" сможет защитить астронавтов от космической радиации лучше, чем металлические экраны, но намного легче известных металлов. Специалисты убеждены, что когда материалу придадут достаточную термостойкость, из него можно будет делать даже обшивку космических аппаратов.
Раньше считалось, что только цельнометаллическая оболочка позволит пилотируемому кораблю пройти сквозь радиационные пояса Земли - потоки заряженных частиц, удерживаемые магнитным полем вблизи планеты. Во время полетов к МКС с этим не сталкивались, поскольку орбита станции проходит заметно ниже опасного участка. Кроме того, астронавтам угрожают вспышки на Солнце - источник гамма- и рентгеновских лучей, а детали самого корабля способны ко вторичному излучению - из-за распада радиоизотопов, образовавшихся при "первой встрече" с радиацией.
Теперь ученые полагают, что новый пластик RXF1 лучше справляется с перечисленными проблемами, причем небольшая плотность - не последний аргумент в его пользу: грузоподъемность ракет все еще недостаточно велика. Известны результаты лабораторных тестов, в которых его сравнивали с алюминием: RXF1 выдерживает втрое большие нагрузки при втрое меньшей плотности и улавливает больше высокоэнергетических частиц. Полимер пока не запатентован, поэтому о способе его изготовления не сообщается. Об этом сообщает Lenta.ru со ссылкой на science.nasa.gov.
Надувные конструкции.
Надувной модуль, изготовленный из особо прочного пластика RXF1, окажется не только компактнее при запуске, но и легче цельной стальной конструкции. Конечно, его разработчикам потребуется предусмотреть и достаточно надежную защиту от микрометеоритов вкупе с «космическим мусором», но ничего принципиально невозможного в этом нет.
Кое-что уже есть - это частный надувной беспилотный корабль Genesis II
уже находится на орбите. Запущен в 2007 году российской ракетой "Днепр". Причем масса у него довольно внушительная для устройства, созданного частной компанией, – свыше 1300 кг.
CSS (Commercial Space Station) Skywalker - коммерческий проект надувной орбитальной станции. На поддержку проекта NASA выделяет деньги около 4 млрд. долларов на 20110-2013 гг.. Речь идёт о разработке новых технологий надувных модулей для освоения космоса и небесных тел Солнечной системы.
Сколько будет стоить надувная конструкция, не сообщается. Зато уже озвучены суммарные затраты на разработку новых технологий. В 2011 году на эти цели выделят $652 млн, в 2012-м (если бюджет снова не пересмотрят) – $1262 млн, в 2013-м – $1808 млн. Затраты на исследования планируется неуклонно повышать, но, с учетом печального опыта выбившегося из сроков и смет «Созвездия»
, без фокусировки на одной масштабной программе.
Надувные модули, автоматические устройства для стыковки аппаратов, системы хранения топлива на орбите, автономные модули жизнеобеспечения и комплексы, обеспечивающие посадку на другие небесные тела. Это лишь малая часть тех задач, которые ставятся теперь перед NASA для решения задачи высадки человека на Луну.
Магнитная и электростатическая защита. Для отражения летящих частиц можно применять мощные магниты, но магниты очень тяжелы, и пока неизвестно, насколько опасным для космонавтов окажется магнитное поле, достаточно мощное, чтобы отражать космическую радиацию.
Космический корабль или станция на поверхности Луны с магнитной защитой. Тороидальный сверхпроводящий магнит с напряжённостью поля не позволит большей части космических лучей проникнуть в кабину пилотов, расположенную внутри магнита, и, тем самым, снизит суммарные дозы радиации от космического излучения в десятки и более раз.
Перспективные проекты NASA - электростатический радиационный щит для лунной базы и лунный телескоп с жидким зеркалом (иллюстрации с сайта spaceflightnow.com).
Биомедицинские решения. Тело человека способно исправлять нарушения в ДНК, вызванные незначительными дозами радиации. Если усилить эту способность, космонавты смогут переносить длительное облучение космической радиацией. Подробнее
Защита из жидкого водорода. НАСА рассматривает возможность использовать в качестве защиты от космической радиации топливные баки космических аппаратов, содержащие жидкий водород, которые можно расположить вокруг отсека с экипажем. В основе этой идеи лежит тот факт, что космическое излучение теряет энергию, сталкиваясь с протонами других атомов. Поскольку атом водорода имеет только один протон в ядре, протон каждого его ядра "тормозит" радиацию. В элементах с более тяжелыми ядрами одни протоны загораживают другие, поэтому космические лучи их не достигают. Защиту водородом обеспечить можно, но недостаточную для того, чтобы предотвратить риски онкологических заболеваний.
Биоскафандр.
Данный проект биоскафандра (Bio-Suit), разрабатываемый группой профессоров и студентов Массачусетского технологического института (MIT). "Био" - в данном случае означает не биотехнологии, а лёгкость, необыкновенное для скафандров удобство и где-то даже неощутимость оболочки, являющейся как бы продолжением тела.
Вместо того, чтобы сшивать и склеивать скафандр из отдельных кусочков различных тканей, его будут напылять прямо на кожу человека в виде быстро затвердевающего спрея. Правда, шлем, перчатки и ботинки останутся всё же традиционными.
Технология такого напыления (в качестве материала используется специальный полимер) уже обкатывается американскими военными. Этот процесс называется Electrospinlacing, его прорабатывают специалисты исследовательского центра армии США - Soldier systems center, Natick.
Упрощённо можно сказать, что мельчайшие капельки или короткие волоконца полимера приобретают электрический заряд и под действием электростатического поля устремляются к своей цели - объекту, который нужно закрыть плёнкой - где они образуют слитную поверхность. Учёные из MIT намерены создать нечто подобное, но способное создавать влаго- и воздухонепроницаемую плёнку на теле живого человека. После затвердевания плёнка приобретает высокую прочность, сохраняя упругость, достаточную для движения рук и ног.
Нужно добавить, что проект предусматривает вариант, когда подобным образом на тело будут напылены несколько различных слоёв, чередующихся с разнообразной встроенной электроникой.
Линия развития скафандров в представлении учёных MIT (иллюстрация с сайта mvl.mit.edu).
А ещё изобретатели биоскафандра говорят о перспективном самозатягивании полимерных плёнок при небольших повреждениях.
Когда такое станет возможным, не берётся предсказать даже сама госпожа профессор Дава Ньюман. Может, через десять лет, может - через пятьдесят.
Но ведь если не начать идти к этому результату сейчас - "фантастическое будущее" не наступит.
Даже если бы межпланетные полеты были реальностью, ученые все чаще говорят о том, что человеческий организм с чисто биологической точки зрения поджидают все больше опасностей. Одной из главных опасностей специалисты называют жесткое космическое радиационное излучение. На других планетах, например на том же Марсе, это излучение будет таким, что оно в разы ускорит наступление болезни Альцгеймера.
"Космическое излучение представляет собой очень значительную угрозу для будущих космонавтов. Возможность того, что космическое радиационное облучение может привести к возникновению проблем со здоровьем, таких как рак, уже давно признана", - говорит Керри О"Банион, доктор неврологии из Медицинского центра при Университете Рочестера. "Наши опыты также достоверно установили, что жесткое излучение также провоцирует ускорение изменений в головном мозге, связанных с болезнью Альцгеймера".
По словам ученых, все космическое пространство буквально пронизано радиационным излучением, тогда как толстая земная атмосфера защищает нашу планету от него. Влияние радиации на себе могут ощутить уже и участники кратковременных полетов на МКС, хотя формально они находятся на низкой орбите, где защитный купол земной гравитации еще работает. Особенно активно радиационное излучение работает в те моменты, когда на Солнце происходят вспышки с последующими выбросами радиационных частиц.
Ученые говорят, что уже сейчас в НАСА вплотную работает над различными подходами, связанными с защитой человека от космической радиации. Впервые космическое ведомство начало финансирование "радиационных исследований" еще 25 лет назад. Сейчас значительная часть инициатив в этой области связана с исследованиями на предмет того, как уберечь будущих марсонавтов от жесткой радиации на Красной планете, где нет такого же атмосферного купола, как на Земле.
Уже сейчас специалисты говорят с очень большой вероятностью о том, что марсианская радиация провоцирует онкологические заболевания. Еще большие объемы излучения есть вблизи астероидов. Напомним, что миссию на астероид с участием человека НАСА планирует на 2021 год, а на Марс - не позже 2035 года. Полет на Марс и обратно с некоторым пребыванием там может занять около трех лет.
Как рассказали в НАСА, сейчас доказано, что космическая радиация провоцирует, помимо рака, также заболевания сердечно-сосудистой системы, костно-мышечной и эндокринной. Сейчас же специалисты из Рочестера выявили и еще один вектор опасности: в рамках исследований было установлено, что высокие дозы космической радиации провоцируют заболевания связанные с нейродегенерацией, в частности активируют процессы, которые способствуют развитию болезни Альцгеймера. Также специалисты изучили то, как космическая радиация влияет на центральную нервную систему человека.
Специалисты на основании опытов установили, что радиоактивные частицы в космосе имеют в своей структуре ядра атомов железа, которые имеют феноменальную проникающую способность. Именно поэтому защититься от них удивительно трудно.
На Земле исследователи проводили симуляцию космической радиации в американской Брукхевенской национальной лаборатории на Лонг-Айленде, где находится специальный ускоритель элементарных частиц. В процессе экспериментов исследователи определили, сроки, в течение которых болезнь возникает и прогрессирует. Впрочем, пока исследователи проводили эксперименты на лабораторных мышах, подвергая их дозам радиации, сопоставимых с теми, что получили бы люди во время полета на Марс. После опытов практически все мыши получили нарушения в работе когнитивной системы головного мозга. Также были отмечены нарушения в работе сердечно-сосудистой системы. В головном мозге выявлены очаги накопления бета-амилоида - белка, который является верным признаком надвигающейся болезни Альцгеймера.
Ученые говорят, что они пока не знают, как побороть космическую радиацию, но они уверены, что радиация - это тот фактор, который заслуживает самого серьезного внимания при планировании будущих космических полетов.
Все организмы с момента своего появления на Земле существовали, развивались и эволюционировали при постоянном воздействии радиации. Радиация - это такое же естественное природное явление, как ветер, приливы и отливы, дождь и т. п.
Естественный радиационный фон (ЕРФ) присутствовал на Земле на всех этапах ее формирования. Он был задолго до того, как появилась жизнь, а затем и биосфера. Радиоактивность и сопровождающие ее ионизирующие излучения явились фактором, оказавшим влияние на современное состояние биосферы, эволюцию Земли, жизнь на Земле и элементный состав Солнечной системы. Любой организм подвергается воздействию характерного для данной местности радиационного фона. До 1940-х гг. он был обусловлен двумя факторами: распадом радионуклидов естественного происхождения, находящихся как в среде обитания данного организма, так и в самом организме, и космическими лучами.
Источники естественной (природной) радиации - это космос и природные радионуклиды, содержащиеся в естественной форме и концентрации во всех объектах биосферы: почве, воде, воздухе, минералах, живых организмах и т. д. Любой из окружающих нас предметов и мы сами в абсолютном смысле слова радиоактивны.
Основную дозу облучения население земного шара получает от естественных источников радиации. Большинство из них таковы, что избежать облучения от них совершенно невозможно. На протяжении всей истории существования Земли разные виды излучения проникают к поверхности земли из космоса и поступают от радиоактивных веществ, находящихся в земной коре. Человек подвергается облучению двумя способами. Радиоактивные вещества могут находиться вне организма и облучать его снаружи (в этом случае говорят о внешнем облучении) или они могут оказаться в воздухе, которым дышит человек, в пище или воде и попасть внутрь организма (такой способ облучения называют внутренним).
Облучению от естественных источников радиации подвергается любой житель Земли. Это зависит, в частности, от того, где люди живут Уровень радиации в некоторых местах земного шара, особенно там, где залегают радиоактивные породы, оказывается значительно выше среднего, а в других местах - ниже. Земные источники радиации в сумме ответственны за большую часть облучения, которому подвергается человек за счет естественной радиации. В среднем они обеспечивают более 5/6 годовой эффективной эквивалентной дозы, получаемой населением, в основном вследствие внутреннего облучения. Остальную часть вносят космические лучи, главным образом, путем внешнего облучения.
Естественный радиационный фон формируется космическим излучением (16%) и излучением, создаваемым рассеянными в природе радионуклидами, содержащимися в земной коре, приземном воздухе, почве, воде, растениях, продуктах питания, в организмах животных и человека, (84%). Техногенный радиационный фон связан главным образом с переработкой и перемещением горных пород, сжиганием каменного угля, нефти, газа и других горючих ископаемых, а также с испытаниями ядерного оружия и ядерной энергетикой.
Естественный радиационный фон есть неотъемлемый фактор окружающей среды, оказывающий существенное воздействие на жизнедеятельность человека. Естественный радиационный фон колеблется в широких пределах в различных регионах Земли. Эквивалентная доза в организме человека в среднем 2 мЗв = 0,2 бэр. Эволюционное развитие показывает, что в условиях естественного фона обеспечиваются оптимальные условия для жизнедеятельности человека, животных, растений. Поэтому при оценке опасности, обусловленной ионизирующим излучением, крайне важно знать характер и уровни облучения от различных источников.
Поскольку радионуклиды, как и любые атомы, образуют в природе определенные соединения и в соответствие со своими химическими свойствами входят в состав определенных минералов, то распределение естественных радионуклидов в земной коре неравномерно. Космическое излучение, как говорилось выше, также зависит от ряда факторов и может отличаться в несколько раз. Таким образом, естественный радиационный фон в разных местах земного шара разный. С этим связана условность понятия «нормальный радиационный фон»: с высотой над уровнем моря фон увеличивается за счет космического излучения, в местах выхода на поверхность гранитов или богатых торием песков радиационный фон также выше и так далее. Поэтому можно говорить лишь о среднем естественном радиационном фоне для данной местности, территории, страны и т. д.
Среднее значение эффективной дозы, получаемое жителем нашей планеты от природных источников за год, составляет 2,4 мЗв .
Примерно 1/3 этой дозы формируется за счет внешнего излучения (примерно поровну от космоса и от радионуклидов) и 2/3 обусловлены внутренним облучением, то есть природными радионуклидами, находящимися внутри нашего организма. Средняя удельная активность человека составляет около 150 Бк/кг. Естественный радиационный фон (внешнее облучение) на уровне моря в среднем составляет около 0,09 мкЗв/ч. Это соответствует примерно 10 мкР/ч.
Космическое излучение - это поток ионизирующих частиц, который падает на Землю из космического пространства. В состав космического излучения входят:
Космическое излучение состоит из трех компонентов, различающихся происхождением:
1) излучение частиц, захваченных магнитным полем Земли;
2) галактическое космическое излучение;
3) корпускулярное излучение Солнца.
Излучение заряженных частиц, захваченных магнитным полем Земли - на расстоянии 1,2-8 земных радиусов расположены так называемые радиационные пояса, содержащие протоны с энергией 1-500 МэВ (в основном 50 МэВ), электроны с энергией около 0,1-0,4 МэВ и незначительное количество альфа-частиц.
Состав. Галактические космические лучи состоят в основном из протонов (79 %) и α-частиц (20 %), что отражает распространенность водорода и гелия во Вселенной. Из числа тяжелых ионов наибольшее значение имеют ионы железа вследствие относительно высокой интенсивности и большого атомного числа.
Происхождение. Источниками галактических космических лучей являются звездные вспышки, взрывы сверхновых, пульсарное ускорение, взрывы галактических ядер и т. п.
Время жизни. Время существования частиц в космическом излучении - порядка 200 млн лет. Удержание частиц происходит за счет магнитного поля межзвездного пространства.
Взаимодействие с атмосферой . Входя в атмосферу, космические лучи взаимодействуют с атомами азота, кислорода и аргона. Столкновения частиц с электронами происходят чаще, чем с ядрами, но при этом высокоэнергичные частицы теряют мало энергии. При столкновениях же с ядрами частицы практически всегда выбывают из потока, поэтому ослабление первичного излучения практически полностью обусловлено ядерными реакциями.
При столкновении протонов с ядрами из ядер выбиваются нейтроны и протоны, идут реакции расщепления ядер. Образующиеся вторичные частицы обладают значительной энергией и сами индуцируют такие же ядерные реакции, т. е. происходит формирование целого каскада реакций, образуется так называемый широкий атмосферный ливень. Одна первичная частица высокой энергии может породить ливень, включающий десять последовательных поколений реакций, в которых рождаются миллионы частиц.
Новые ядра и нуклоны, составляющие ядерно-активный компонент излучения, образуются в основном в верхних слоях атмосферы. В ее нижней части поток ядер и протонов значительно ослабляется за счет ядерных столкновений и далее - потерь на ионизацию. На уровне моря он формирует только единицы процентов мощности дозы.
Космогенные радионуклиды
В результате ядерных реакций, идущих под влиянием космических лучей в атмосфере и частично в литосфере, образуются радиоактивные ядра. Из них в создание дозы наибольший вклад вносят (β-излучатели: 3 H (Т 1/2 = 12,35 лет), 14 C (T 1/2 = 5730 лет), 22 Na (T 1/2 = 2,6 лет), - поступающие в организм человека вместе с пищей. Как следует из приведенных данных, наибольший вклад в облучение вносит углерод-14. Взрослый человек потребляет с пищей ~ 95 кг углерода в год.
Солнечное излучение, состоящее из электромагнитного излучения вплоть до рентгеновского диапазона, протонов и альфа-частиц;
Перечисленные виды излучения являются первичными, они почти полностью исчезают на высоте около 20 км вследствие взаимодействия с верхними слоями атмосферы. При этом образуется вторичное космическое излучение, которое достигает поверхности Земли и воздействует на биосферу (в том числе на человека). В состав вторичного излучения входят нейтроны, протоны, мезоны, электроны и фотоны.
Интенсивность космического излучения зависит от ряда факторов:
Изменений потока галактического излучения,
Географической широты,
Высоты над уровнем моря.
В зависимости от высоты интенсивность космического излучения резко возрастает.
Радионуклиды земной коры.
В земной коре рассеяны долгоживущие (с периодом полураспада в миллиарды лет) изотопы, которые не успели распасться за время существования нашей планеты. Они образовались, наверное, одновременно с образованием планет Солнечной системы (относительно короткоживущие изотопы распались полностью). Эти изотопы называются естественными радиоактивными веществами, это значит такими, которые образовались и постоянно вновь образовываются без участия человека. Распадаясь, они образуют промежуточные, также радиоактивные, изотопы.
Внешними источниками излучений являются более 60 естественных радионуклидов, находящихся в биосфере Земли. Естественные радиоактивные элементы содержатся в относительно небольшом количестве во всех оболочках и ядре Земли. Особое значение для человека имеют радиоактивные элементы биосферы, т.е. той части оболочки Земли (лито-, гидро-и атмосфере), где находятся микроорганизмы, растения, животные и человек.
В течение миллиардов лет шел постоянный процесс радиоактивного распада нестабильных ядер атомов. В результате этого общая радиоактивность вещества Земли, горных пород постепенно снижалась. Относительно короткоживущие изотопы распались полностью. Сохранились главным образом элементы с полураспадом, измеряемым миллиардами лет, а также относительно короткоживущие вторичные продукты радиоактивного распада, образующиеся последовательные цепочки преобразований, так называемые семейства радиоактивных элементов. В земной коре естественные радионуклиды могут быть более или менее равномерно рассеяны или сконцентрированы в виде месторождений.
Природные (естественные) радионуклиды можно разделить на три группы:
Радионуклиды, принадлежащие радиоактивным семействам (рядам),
Другие (не принадлежащие радиоактивным семействам) радионуклиды, вошедшие в состав земной коры при формировании планеты,
Радионуклиды, образовавшиеся под действием космического излучения.
В процессе формирования Земли в состав ее коры наряду со стабильными нуклидами вошли и радионуклиды. Большая часть этих радионуклидов относится к так называемым радиоактивным семействам (рядам). Каждый ряд представляет собой цепочку последовательных радиоактивных превращений, когда ядро, образующееся при распаде материнского ядра, тоже, в свою очередь, распадается, вновь порождая неустойчивое ядро и т. д. Началом такой цепочки является радионуклид, который не образуется из другого радионуклида, а содержится в земной коре и биосфере с момента их рождения. Этот радионуклид называют родоначальником и его именем называют все семейство (ряд). Всего в природе существует три родоначальника - уран-235, уран-238 и торий-232, и, соответственно, три радиоактивных ряда - два урановых и ториевый. Заканчиваются все ряды стабильными изотопами свинца.
Самый большой период полураспада у тория (14 млрд. лет), поэтому он со времени аккреции Земли сохранился почти полностью. Уран-238 распался в значительной степени, распалась подавляющая часть урана-235, а изотоп нептуния-232 распался весь. По этой причине в земной коре много тория (почти в 20 раз больше урана), а урана-235 в 140 раз меньше, чем урана-238. Поскольку родоначальник четвертого семейства (нептуний) со времени аккреции Земли весь распался, то в горных породах его почти нет. В ничтожных количествах нептуний обнаружен в урановых рудах. Но происхождение его вторичное и обязано бомбардировке ядер урана-238 нейтронами космических лучей. Сейчас нептуний получают с помощью искусственных ядерных реакций. Для эколога он не представляет интереса.
Около 0,0003% (по разным данным 0,00025-0,0004%) Массы земной коры - это уран. То есть в одном кубометре самого обычного грунта содержится в среднем 5 граммов урана. Есть места, где это количество в тысячи раз больше - это месторождения урана. В кубометре морской воды содержится около 1,5 мг урана. Этот природный химический элемент представлен двумя изотопами -238U и 235U, каждый из которых является родоначальником своего радиоактивного ряда. Подавляющая часть природного урана (99,3%) - это уран-238. Этот радионуклид весьма устойчив, вероятность его распада (а именно - альфа-распада) очень мала. Эта вероятность характеризуется периодом полураспада, равным 4,5 миллиарда лет. То есть со времен формирования нашей планеты его количество уменьшилось вдвое. Из этого, в свою очередь, следует, что радиационный фон на нашей планете раньше был выше. Цепочки радиоактивных превращений, порождающей природные радионуклиды уранового ряда:
Радиоактивный ряд включает как долгоживущие радионуклиды (то есть радионуклиды с большим периодом полураспада), так и короткоживущие, но в природе существуют все радионуклиды ряда, даже те, которые быстро распадаются. Это связано с тем, что с течением времени установилось равновесие (так называемое «вековое равновесие») - скорость распада каждого радионуклида равна скорости его образования.
Существуют природные радионуклиды, которые вошли состав земной коры в процессе формирования планеты и которые не принадлежат урановым или ториевому рядам. В первую очередь - это калий-40. Содержание 40 К в земной коре около 0,00027% (масс), период полураспада 1,3 миллиарда лет. Дочерний нуклид - каль-ций-40 - является стабильным. Калий-40 в значительном количестве входит в состав растений и живых организмов, вносит существенный вклад в общую дозу внутреннего облучения человека.
Природный калий содержит три изотопа: калий-39, калий-40 и калий-41, из которых только калий-40 радиоактивен. Количественное соотношение этих трех изотопов в природе выглядит так: 93,08 %, 0,012 % и 6,91 %.
Калий-40 распадается двумя путями. Около 88% его атомов испытывают бета-излучение и превращаются в атомы кальция-40. Остальные 12% атомов, испытывая К-захват, превращаются в атомы аргона-40. На этом свойстве калия-40 основан калий-аргоновый метод определения абсолютного возраста горных пород и минералов.
Третью группу природных радионуклидов составляют космогенные радионуклиды. Эти радионуклиды образуются под действием космического излучения из стабильных нуклидов в результате ядерных реакций. К ним относятся тритий, бериллий-7, углерод-14, натрий-22. Например, ядерные реакции образования трития и углерода-14 из азота под действием космических нейтронов:
Особое место среди природных радиоизотопов занимает углерод. Природный углерод состоит из двух стабильных изотопов, среди которых преобладает углерод-12 (98,89 %). Остальная часть почти целиком приходится на изотоп углерод-13 (1,11 %).
Помимо стабильных изотопов углерода известны еще пять радиоактивных. Четыре из них (углерод-10, углерод-11, углерод-15 и углерод-16) характеризуются весьма малыми периодами полураспада (секунды и доли секунды). Пятый радиоизотоп, углерод-14, имеет период полураспада 5730 лет.
В природе концентрация углерода-14 крайне мала. Например, в современных растениях один атом этого изотопа приходится на 10 9 атомов углерода-12 и углерода-13. Однако с появлением атомного оружия и ядерной техники углерод-14 получается искусственно при взаимодействии медленных нейтронов с азотом атмосферы, поэтому количество его постоянно растет.
Существует некоторая условность относительно точки зрения того, какой фон считать «нормальным». Так, при «среднепланетарной» годовой эффективной дозе на одного человека 2,4 мЗв во многих странах эта величина составляет 7-9 мЗв/год. То есть испокон веков миллионы людей живут в условиях природных дозовых нагрузок, которые в несколько раз выше, чем среднестатистические. Медицинские исследования и демографическая статистика показывают, что это никак не сказывается на их жизни, не оказывают никакого негативного влияния на их здоровье и здоровье их потомства.
Говоря об условности понятия «нормальный» природный фон, можно указать также ряд мест на планете, где уровень природной радиации превышает среднестатистический не только в разы, но и в десятки раз (таблица), этому воздействию подвержены десятки и сотни тысяч жителей. И это тоже норма, это тоже никак не сказывается на их здоровье. Более того, многие районы с повышенным радиационным фоном в течение столетий являются местами массового туризма (морские побережья) и признанными курортами (Кавказские Минеральные Воды, Карловы Вары и др.).
07.12.2016
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 : 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.