Прошло 50 лет с тех пор, как последний человек побывал на другом небесном теле. Теперь человечество заперто в пределах околоземной орбиты. Почему же мы еще не полетели на Марс или хотя бы не вернулись на Луну?
Дело не только в финансовом вопросе, но и в ограничениях человеческого тела, преодолевать которые мы пока не научились. К одному из таких ограничений относится радиация.
Существует два вида излучения, которые воздействуют на человека в космосе:
Солнечное излучение. От него проще защититься, но оно менее предсказуемо. Вспышки на Солнце могут резко увеличивать дозу облучения. Такие всплески происходят в среднем раз в 11 лет, однако их невозможно спрогнозировать. Человек, оказавшийся на поверхности Луны в такой момент, рискует погибнуть на месте.
Галактическое излучение. Оно более стабильно, но очень негативно воздействует на нервную систему. К тому же от него сложнее защититься.
На низкой земной орбите, где располагается МКС, опасность представляет только солнечная радиация, так как магнитное поле Земли блокирует галактическое излучение. Если на МКС космонавт суммарно может провести около 4 лет, чтобы набрать норматив по радиации, который работники АЭС набирают за 50 лет, то на Луне – до 60 дней (с учетом галактического излучения и других факторов, негативно влияющих на здоровье).
Какие существуют способы защитить человека от радиации в космосе?
Более быстрые корабли
С текущим уровнем технологий космонавт за всю карьеру может один раз долететь до Марса и обратно, чтобы набрать норматив по радиации. До красной планеты можно добраться за 8-9 месяцев при скорости корабля 65 000 км/час. Ядерные ракетные двигатели (ЯРД) или электрические двигатели на ядерной энергии (ЯЭДУ) могли бы сократить путь до полутора-двух месяцев, но их разработка требует стабильного длительного финансирования, а к результатам предъявляют серьезные требования по экологической безопасности.
Что сейчас делается в этом направлении? В НАСА велись разработки ЯРД и ЯЭДУ еще в 1960-х годах, но вернулись к ним только после 2018 года. В России еще в 2010 году начались работы над проектом ЯЭДУ мегаваттного класса, но опытные образцы ожидаются только к 2025 году. В дорожной карте развития космонавтики Китая на 2017-2045 годы прописано создание корабля на ЯРД.
Что этому мешает? Для создания ЯРД и ЯЭДУ нужно не только финансирование, но и преодоление технологических барьеров. Для ЯРД – это неспособность материалов выдержать очень высокую температуру реактора. Решением может стать карбонитрид гафния с температурой плавления 4200◦С, открытый в 2019 году. Для ЯЭДУ барьером является проблема хранения водорода на протяжении полета. ArianeGroup разработали две технологии по сохранению водорода в сжиженном состоянии, которые будут опробованы при запуске ракеты Ariane 6 в 2022 году.
Защита корабля
Есть два варианта защиты корабля от космической радиации: 1) использовать традиционные материалы, но увеличить толщину обшивки; 2) использовать более эффективные защитные материалы.
От космической радиации хорошо защищают вода и пластики. Можно сделать обшивку из пластика толщиной 5 см, а сам корабль может быть из алюминия, который сам по себе плохо защищает от радиации. В НАСА считают, что пластик не вариант, так как он тяжелый и увеличит массу корабля, а соответственно и стоимость запуска. Пространство в обшивке, по которой будет циркулировать вода — это тоже вариант, но она нужна самому экипажу, и нужно как-то восполнять её запасы.
Использование более эффективных защитных материалов может снизить массу и стоимость корабля, но поиск и испытания таких материалов требуют времени. Часто материалы, обладающие хорошей защитой от радиации, не подходят по свойствам для использования в составе космического аппарата.
Что сейчас делается в этом направлении? В NASA разрабатывают материал, который соответствует этим критериям, – нанотрубки нитрида бора (BNNTs), легкий и встраиваемый в обшивку корабля и материал скафандров, однако проект еще в процессе исследований и тестирования.
Что этому мешает? BNNTs – дорогое в производстве вещество (около $1000 за грамм). Однако ученые надеются, что цена снизится, когда BNNTs войдет в массовое производство. Так было со снижением цен на углеродные нанотрубки, которые подешевели за 20 лет с $1000 до $10-20 за грамм.
Киборгизация и биоинженерия
В космических миссиях самое слабое звено – человек. Влияние тяжелых заряженных частиц галактического излучения на тело человека пока мало изучено. Заведующий отделом радиационной безопасности космонавтов Института медико-биологических проблем РАН Вячеслав Шуршаков говорит: «Возможно, радиация станет причиной потери памяти у космонавта, вызовет ненормальные поведенческие реакции, агрессию. И очень вероятно, что эти эффекты не будут привязаны к конкретной дозе».
Что сейчас делается в этом направлении? Уже давно звучат предложения заменять космонавтам хрусталики глаз на искусственные, чтобы избежать повреждения катарактой из-за радиации, удалять селезёнку или превентивно защитить мозг, которые страдают одними из первых. Если второе представляется сомнительным занятием, то вот первое и третье имеют перспективы реализации.
Что этому мешает? Если с темой имплантации искусственных хрусталиков вопросов нет - это давно известная и поставленная на поток технология, то с защитой мозга от радиации все совсем непонятно. Предполагается, что большая проблема – это высокий риск развития болезни Альцгеймера, которая обычно затрагивает гиппокамп. Можно было бы удалить гиппокамп, но это приведет к невозможности формировать долгосрочные воспоминания. В статье Эмили Манкин и Ицхака Фрида описывается как глубокая стимуляция мозга (DBS) может улучшить работу гиппокампа у пациентов с эпилепсией и болезнью Альцгеймера. Возможно ответ лежит в этой области, однако предстоит решить этические вопросы, связанные с вмешательством в работу мозга человека.
Еще один фронтир – генная инженерия, но процесс это не быстрый. Если мы действительно захотим изменить геном человека, понадобится возможно три поколения исследований, чтобы убедиться, что мы ничего не сломаем.
Гибернация
Гибернация – искусственно созданное состояние замедленной жизнедеятельности организма у теплокровных животных, в том числе человека, благодаря которому организм приобретает бо́льшую устойчивость к кислородному голоданию, травмам и другим неблагоприятным воздействиям, в том числе радиации. Еще в конце 1980-х годов было обнаружено, что живые организмы, насыщенные инертными газами в условиях низкой температуры и высокого давления, впадают в состояние гибернации. Самым эффективным для этих целей газом является ксенон.
Что сейчас делается в этом направлении? Ученым из Лаборатории криоконсервации и гипобиоза (совместный проект ИБК РАН и Фонда перспективных исследований) удалось ввести крыс в состояние гибернации на семь суток. Специалисты считают, что использование ксенона действительно может дать хороший результат без нежелательных побочных эффектов. На реализацию проекта по разработке препарата для ввода в гибернацию крыс и кроликов ушло 40 месяцев. Следующая цель – разработка препарата для людей.
Что этому мешает? Во-первых, после создания препаратам предстоит пройти серию доклинических испытаний на токсичность и мутагенность. Кроме проверки на животных нужно будет провести тесты и на добровольцах, что займет 3-5 лет. Маттео Черри, физиолог из Болонского университета, считает, что разработать такой препарат можно за 10 лет при наличии высокой научной квалификации и стабильной финансовой поддержки.
Во-вторых, стоимость ксенона, необходимого для обеспечения анестезии человека на 2 часа, составляет около 300 долларов. В перспективе разработка методики выделения ксенона из отработанного анестезирующего газа сделает его добычу дешевле.
Итог: В конечном счете, решение проблемы радиации должно быть комплексным. И успех в этой сфере зависит не только от наличия идей и инноваций, но и от стабильной финансовой поддержки исследований и разработок.
