Поднимая щиты: новые идеи могут сделать активную защиту жизнеспособной

19 октября 1989 года в 12:29 по всемирному координированному времени мощная солнечная вспышка класса X13 создала настолько мощную геомагнитную бурю, что на следующий день северное сияние осветило небо в Японии, Америке, Австралии и даже Германии. Если бы вы в то время летали вокруг Луны, вы бы поглотили более 6 зивертов радиации — доза, которая, вероятно, убила бы вас в течение месяца или около того.

Вот почему космический корабль «Орион», который в этом году должен доставить людей в облет, имеет для экипажа высокозащищенное штормовое укрытие. Но таких убежищ недостаточно для путешествия на Марс, поскольку щит Ориона рассчитан на 30-дневную миссию.

Для получения защиты, подобной той, что есть на Земле, потребуются сотни тонн материала, а на орбите это просто невозможно. Основная альтернатива — использование активных щитов, которые отклоняют заряженные частицы так же, как магнитное поле Земли, — была впервые предложена в 1960-х годах. Сегодня мы наконец близки к тому, чтобы это заработало.

Излучение глубокого космоса

Космическая радиация бывает двух разных видов. Солнечные события, такие как вспышки или корональные выбросы массы, могут вызывать очень высокие потоки заряженных частиц (в основном протонов). Они плохи, когда у вас нет укрытия, но от них относительно легко защититься, поскольку солнечные протоны в основном имеют низкую энергию. Большинство потоков солнечных частиц имеют энергию от 30 до 100 МэВ и могут быть остановлены укрытиями, подобными Ориону.

Еще есть галактические космические лучи: частицы, приходящие из-за пределов Солнечной системы, приводимые в движение далекими сверхновыми или нейтронными звездами. Они относительно редки, но они постоянно нападают на вас со всех сторон. Они также имеют высокие энергии, начиная с 200 МэВ и заканчивая несколькими ГэВ, что делает их очень проникающими. Толстые блоки не обеспечивают особой защиты от него. Когда частицы космических лучей высокой энергии сталкиваются с тонкими щитами, они производят так много частиц низкой энергии, что было бы лучше вообще не иметь щита.

Частицы с энергией от 70 до 500 МэВ ответственны за 95% доз радиации, получаемых астронавтами в космосе. На коротких перелетах основную проблему представляют солнечные бури, поскольку они могут быть очень сильными и очень быстро причинить большой ущерб. Однако чем дольше вы летите, тем более проблематичными становятся ГКЛ, поскольку их дозы со временем накапливаются, и они могут пройти практически через все, что мы пытаемся поставить на их пути.

Что обеспечивает нам безопасность дома

Причина, по которой до нас почти ничего из этого излучения не доходит, заключается в том, что Земля имеет естественную многоступенчатую систему защиты. Все начинается с магнитного поля, которое отклоняет большинство входящих частиц к полюсам. Заряженная частица в магнитном поле движется по кривой: чем сильнее поле, тем круче кривая. Магнитное поле Земли очень слабое и почти не отклоняет прилетающие частицы, но оно огромно и простирается на тысячи километров в космос.

Все, что проходит через магнитное поле, попадает в атмосферу, что с точки зрения защиты эквивалентно алюминиевой стене толщиной 3 метра. Наконец, есть сама планета, которая снижает радиацию вдвое, поскольку снизу вас всегда защищают 6,5 миллиардов триллионов тонн породы.

Для сравнения: модуль экипажа Аполлона имел в среднем 5 граммов массы на квадратный сантиметр между экипажем и радиацией. Типичный модуль МКС содержит вдвое больше, около 10 г/см2. Укрытие Ориона весит 35-45 г/см2, в зависимости от того, где именно вы сидите, и весит 36 тонн. На Земле только атмосфера дает 810 г/см2, что почти в 20 раз больше, чем на нашем лучше всего защищенном космическом корабле.

Есть два варианта: добавить больше массы – что быстро становится дорого – или сократить продолжительность миссии, что не всегда возможно. Таким образом, решение с отрицательной массой излучения не поможет в длительных миссиях, даже с лучшими защитными материалами, такими как полиэтилен или вода. Вот почему создание миниатюрной портативной версии магнитного поля Земли стояло на повестке дня с первых дней освоения космоса. К сожалению, мы обнаружили, что это гораздо легче сказать, чем сделать.