Ученый из NASA сообщил СМИ: радиация в космосе так высока, что миссия к Красной планете будет суицидом. По нормативам NASA четырехлетней давности такой полет безопасен, а по новым, утвержденным недавно во имя гендерного равноправия, — смертелен. Как так вышло и что с «марсианской радиацией» на самом деле?
Мишель Таллер из NASA в интервью сравнительно желтому изданию Sun заявила, что она была бы счастлива увидеть людей на Марсе, но «мы до сих пор не имеем хорошего способа сохранить людей живыми на пути туда». В пути и в точке назначения космонавтов не будет защищать земное магнитное поле. На самой Красной планете, продолжает она, можно зарыться на три метра вглубь и это «защитит от солнечной радиации», но в пути туда этой опции нет. И если тот же Маск захочет «умереть на Марсе», то у него может и это не получиться: в случае солнечной протонной бури он умрет еще на пути туда.
Эти высказывания довольно похожи на те, что чуть раньше раздавались из «Роскосмоса»: что человек может не просто погибнуть от радиации в полете к четвертой планете, но и… стать слабоумным от все тех же космических лучей. Страшная картина. Но насколько реалистичная?
О чем молчат в NASA и «Роскосмосе»
Любой разговор о радиации имеет смысл только и исключительно на основе цифр и фактов. Потому что пока мы ограничиваемся словами и оценками — без точных цифр и достоверно установленных фактов — мы пережевываем мифы по теме, и скоро читатель в этом убедится.
Итак, цифры и факты. К Марсу летало множество аппаратов, и у них на борту были счетчики радиации. Поэтому мы с высокой точностью знаем, сколько ее угрожает тем, кто летит на четвертую планету. «Кьюриосити» летел туда полгода, и за это время, как следует из его показаний, человек, летящий рядом с ним, получил бы — несмотря на нулевую радиационную защиту — 0,33 зиверта (0,66 в год). Прилетев на Марс, «Кьюриосити» оказался в ситуации, когда половину радиации поглощает толща планеты под ногами, а еще часть поглощает атмосфера. Годовая доза радиации в итоге упала с 0,66 до 0,23 зиверта.
Итого: в среднем за два года экспедиции к Марсу и обратно человек без дополнительной защиты получит 0,45 зиверта в год, или 0,9 зиверта за два года. До 2010-х годов безопасные нормы облучения и у NASA, и у «Роскосмоса» были 0,5 зиверта в год, то есть люди на борту летящего к Марсу «Старшипа» в эти нормы вполне уложились бы.
Точнее даже так: уложились бы с запасом. Дело в том, что это «Кьюриосити» летел к Марсу 180 суток: «Старшип» располагает радикально лучшей энергетикой, и поэтому Илон Маск настаивает на более быстром перелете за 115 суток (0,315 года). Следовательно, за первый год экспедиции на Красную планету его экипаж — при условии нулевой защиты — получил бы 0,315 ✕ 0,660 = 0,208 зиверта в пути. И еще 0,785 года ✕ 0,23 зиверта (радиация на Марсе) = 0,18 зиверта на самой планете. Или 0,39 зиверта в год. За два года — 0,78 зиверта. На 22 процента ниже нормативов NASA и «Роскосмоса» от 2010-х годов.
Но вы не услышите ни одного сотрудника NASA или «Роскосмоса», который публично заявил бы об этом. Только обратное мнение, как у Мишель Таллер, — что «они все умрут», по крайней мере могут. К концу этого текста читатель сможет сам составить мнение о том, почему от представителей американского и русского госкосмоса слышны только предсказания в духе «они все умрут», но никогда не сообщается, что, по данным «Кьюриосити», радиация на пути к Марсу и на нем самом вполне укладывается в лимиты того же NASA до 2010-х годов.
А как же всесокрушающая солнечная буря?
Можно возразить, что Мишель Таллер говорит об угрозе радиации от Солнца, солнечных бурях, выбросах массы из солнечной короны. Это довольно редкие события, скажем «Кьюриосити» в сильную солнечную бурю так и не попал. Что если в нее попадут люди на борту «Старшипа», пока летят к Марсу?
Отвечать на этот вопрос тоже есть смысл только с точными цифрами в руках. Они таковы: солнечные бури действительно случаются, и если мы возьмем что-то эпохальное, типа события Кэррингтона из XIX века, то они могут дать незащищенному космонавту дозу выше 0,7 зиверта, то есть вызвать лучевую болезнь. Правда, пока науке неизвестны бури, способные дать космонавту несколько зивертов, то есть убить его. Откуда Таллер взяла про «они могут умереть» в связи с этим не совсем ясно: от 0,7 зиверта лучевой болезни с летальным исходом пока никто не видел. Но опустим эту важную деталь и перейдем к вопросу, как защитить человека на пути к другой планете от самой сильной солнечной бури?
Этот вопрос изучен давно и подробно. Хорошо известно, что космические лучи от Солнца состоят почти исключительно из легких частиц. Это резко отличает их от галактических космических лучей, приходящих извне Солнечной системы. Легкие частицы — протоны, альфа-частицы и так далее — отлично тормозятся легкими элементами, в частности атомами водорода и молекулами, которые эти атомы включают.
Сверху вниз: уровень защиты от солнечных частиц в составе космических лучей для различных материалов. Темно-синим показана защита в процентах при 5 граммах соответствующего материала на квадратный сантиметр. Голубым — защита при 11 граммах материала на квадртаный сантиметр. HDPE — полиэтилен высокой плотности
На пути к Марсу под ногами у космонавтов будут находиться сотни тонн кислорода и метана — легких элементов, часть из которых содержит больше водорода на единицу объема, чем собственно жидкий водород. То есть снизу солнечная буря экипажу «Старшипа» не угрожает. Потому что площадь сечения этого корабля менее 64 квадратных метров, то есть между людьми и протонной вспышкой будут находиться метры отличной защиты в виде сжиженного метана и кислорода.
Остается вопрос: как защитить остальное? Максимальная вместимость корабля SpaceX в дальних полетах не может превышать 100 человек. Во внутрикорабельных скафандрах им всем нужно укрытие объемом порядка 190 кубических метров. Ведь активная часть протонных вспышек длится всего часы — 1,9 кубометра людям хватит. В конце концов в салоне автомобиля, едущем на большую дистанцию, объем на одного человека куда меньше.
Марс, Луна, дальний космос: как освоение Солнечной системы обернется торжеством атома
С учетом того что диаметр «Старшипа» — девять метров, отсек на 190 кубометров должен иметь высоту три метра. Снизу, повторимся, этот отсек уже защищен топливом. Вспоминая геометрию за шестой класс, чтобы закрыть антирадиационный отсек с остальных сторон, нужно защитить менее 150 квадратных метров.
Толщина защиты от солнечных вспышек для космоса давно рассчитана: всего 11 сантиметров воды защищают от 88 процентов всего излучения вспышки на Солнце. Оставшихся 12 процентов будет точно недостаточно, чтобы вызвать у астронавтов лучевую болезнь.
Сколько же будет весить водяной слой в 11 сантиметров, закрывающий 150 квадратных метров? Простейшие арифметические вычисления показывают: чтобы защитить 100 человек на борту «Старшипа», нужно всего 16 тонн воды. Да, это 16 процентов его полезной нагрузки, но не секрет, что вода людям нужна, и меньше этого объема ее все равно взять не получится. То есть существующие технологии с легкостью позволяют защитить всех людей на борту корабля SpaceX на пути к Марсу. Все, что для этого нужно, — элементарная двойная обшивка для размещения воды в стенках антирадиационного отсека, в самом низу жилой части ракеты.
Типовая защита от солнечных штормов на МКС располагает полиэтиленовыми стенками на 4,67 грамма на квадратный сантиметр. Полиэтилен из-за высокого содержания водорода перехватывает протоны намного эффективнее дюралевой обшивки МКС, даже если та будет с большим количеством граммов на квадратный сантиметрNASAНаблюдательный читатель может спросить: а зачем «Старшипу» вообще нужна радиационная защита? Ведь ясно же, что он будете лететь к четвертой планете с сотнями тонн топлива на борту. Причем будет делать это кормой к Солнцу — то есть отличная радиационная защита от любых солнечных бурь у него уже есть. После отлета от Марса, набрав скорость, «Старшип» может слегка сманеврировать двигателями так, чтобы лететь кормой вперед: в этом случае остатки топлива в баках защитят его и на обратном пути.
Длина жилых отсеков «Старшипа» — то есть лежащих между топливом в корме и носом — считаные десятки метров. Магнитного поля на нем нет. Следовательно, частицы, летящие от Солнца, никакими силами не смогут обогнуть метры топливной толщи, чтобы ударить по астронавтам с бортов «Старшипа». Зачем же тут какая-то дополнительная защита?
Откровенно говоря, нéзачем. Мы рассчитали слой воды, нужный для такой защиты, скорее на случай крайне маловероятных неприятностей. Например, «Старшип» вдруг потеряет контроль над своими двигателями в полете. Один из них включится, закрутит корабль во вращение, а потом экипажу не удастся это вращение выправить. Конечно, тогда люди на борту все равно погибнут, потому что на Марс так живыми не сесть — но, по крайней мере, в нашем сценарии они будут в безопасности от солнечной бури.
Еще один вариант, уже более реальный: люди высадятся на четвертой планете, но не будут искать себе лавовую трубку-убежище или рыть подземный схрон, а решат просто жить на борту «Старшипа». В этом случае радиационно стойкий отсек может пригодиться им для сна: стальная носовая обшивка корабля будет притормаживать галактические лучи, а порождаемые при этом вторичные частицы сможет перехватить водяная оболочка рассчитанного нами отсека.
Тем более что никаких ста человек в первую экспедицию на Марс, конечно, никто не повезет, потому что для них банально не найдется там столько работы. Сорок членов экипажа запросто смогут по много часов размещаться в защитном отсеке и при наличии марсианской силы тяжести 0,38 земной, в конце концов в железнодорожном купе места на одного человека примерно столько же.
Российские специалисты меньше концентрируются на угрозе солнечных бурь для «марсианского» перелета. Возможно, они тоже задумывались над тем, что метры жидкого метана и кислорода автоматически защищают людей от частиц, летящих от Солнца. Зато в наших палестинах рассказывают другие страшные истории: про галактические космические лучи (на 85 процентов — протоны, на 14 процентов — альфа-частицы, на один процент — ядра более тяжелых атомов). В отличие от протонов и альфа-частиц от Солнца, заметная часть этих лучей — ядра более тяжелых элементов, вплоть до титана.
Слово представителю Службы радиационной безопасности пилотируемых космических полетов Института медико-биологических проблем РАН Вячеславу Шуршакову:
«Эти тяжелые заряженные лучи воздействуют прежде всего на кору головного мозга, гиппокамп, центральную нервную систему… Давайте представим, что экипаж подлетает к Марсу, до спуска остается какая-нибудь неделя полета, они уже должны видеть в иллюминаторе его красноватую поверхность. Но… Видят ли их глаза? Не поврежден ли хрусталик потоками протонов и тяжелых заряженных частиц? К этому времени организмы путешественников точно накопили уже в два раза больше радиации, чем положено по нормам ликвидаторам крупных аварий на АЭС. Они осознают, если еще в состоянии осознавать, что их ждет очень нерадостное будущее, быстрое развитие онкологических заболеваний, ранний паркинсонизм или болезнь Альцгеймера. Ходит среди радиобиологов такая грустная шутка, что первые космонавты, долетев до Марса, не вспомнят, куда они летели и зачем».
Развернувшись кормой к солнечной вспышке экипаж «Старшипа» заставит частицы от Солнца проходить через двигатели, 800 кубических метров баков с жидким кислородом и 600 кубических метров баков с метаном. Стоит отметить, что жидкий метан содержит больше водорода на единицу объема, чем самый жидкий водород. Таким образом, даже несмотря на то, что часть топлива из баков уже будет отработана секция с экипажем (Payload Region на иллюстрации) окажется защищена от солнечной радиации буквально тоннами на каждый квадратный метр поперечного сечения кораблWikimedia CommonsТрагическая история, не правда ли? Неправда. И вот почему.
Научный подход к познанию мира отличает от ненаучного опора на две вещи: наблюдения и эксперименты. Что же нам говорят наблюдения и эксперименты о том количестве радиации, которое космонавты могут получить в космическом перелете без солнечных бурь и при нулевой защите?
Первое, на чем надо остановить наше внимание: ни один человек длительному воздействию галактических космических лучей в таких дозах никогда не подвергался. Поэтому ни один человек никогда, включая рекордсменов по пребыванию на космических станций, всех описанных Шуршаковым проблем не испытывал.
Если мы вслед за ним обратимся к земным аналогиям по радиации, то обнаружим следующее. Дозы радиации в космосе, как мы уже отмечали, при реальных полетах «Старшипа» не превысят 0,38 зиверта в год. Однако в земных условиях многие люди получали и куда больше — без каких-либо известных проблем.
Самый известный такой пример — Альберт Стивенс. В 1945 году ему ввели примерно микрограмм плутония внутривенно, и он до конца жизни с этим плутонием жил. Жил 21 год, получая по три зиверта в год. У него не было никаких замеченных медициной проблем со зрением или нервной системой, хотя все это время его состояние отслеживали в рамках американской правительственной программы по изучению воздействия радиации на человека. Не диагностировали у него ни Альцгеймер, ни паркинсонизм, и это несмотря на то, что он умер в весьма почтенном по тем временам возрасте 79 лет.
Основную часть своей радиационной дозы Альберт Стивенс получил вот от этого симпатичного материала, плутония-238. Его атомы делятся настолько быстро, что если не отводить от него тепло, кусок этого изотопа вполне может раскалиться докрасна, как на этом фото / Ⓒ Wikimedia Commons
Основную часть своей радиационной дозы Альберт Стивенс получил вот от этого симпатичного материала, плутония-238. Его атомы делятся настолько быстро, что если не отводить от него тепло, кусок этого изотопа вполне может раскалиться докрасна, как на этом фото / Ⓒ Wikimedia Commons
Полученная им доза в 60 раз превышала предельно допустимую для работника атомной отрасли, причем, что уникально, он получал ее десятки лет подряд практически без снижения. Обычно контакт с радиацией строится обратным образом: большая разовая доза, а затем — полное отсутствие контакта. Космонавты будут общаться с радиацией как Стивенс, а не как погибшие при ликвидации аварии на ЧАЭС, «отхватившие» сразу несколько зивертов за несколько дней, а потом не приближавшиеся ни к чему радиоактивному до конца жизни.
Почему мы уделяем такое внимание тому, что космическая радиация будет размазана во времени, а не сконцентрирована, как в Чернобыле? Причина есть, и имя ей — эксперимент.
Тайваньский эксперимент
В 1983 году на Тайване кобальт-60 из источников для радиотерапии случайно попал в металлолом, который потом переплавили и пустили на арматуру для жилых домов. В этих домах было 1700 квартир. Люди ничего об этом не знали и прожили в этих квартирах от девяти до 22 лет.
Для нас эта группа представляет особый интерес, потому что 11 процентов из них, то есть 1100 человек, в 1983 году получили по 0,525 зиверта. То есть на 38 процентов больше, чем получат ничем не защищенные люди в «Старшипе» за каждый год марсианской экспедиции.
Кобальт-60 — это та самая штука из «кобальтовой бомбы», которую когда-то задумал академик Сахаров, на случай если понадобится гарантированно уничтожить все сложные формы жизни на Земле. Однако был нюанс: Сахаров планировал очень большие количества такого кобальта в бомбе, а полутора с лишним тысячам тайваньским семьям достались дозы умеренные.
Что же случилось с паркинсонизмом, Альцгеймером, поражением нервной системы у них всех? Ничего. Никакие исследования не смогли выявить каких-то особых проблем такого плана у этой части популяции.
Отклонения — и очень большие — удалось выявить только для одного типа болезней. Это был рак, вот только последствия длительного радиационного воздействия на вероятность умереть от рака оказались немного не те, о которых нам рассказывали в школе. Согласно научной работа тайваньских специалистов, которую никто никогда так и не оспорил, среди облученных 10 тысяч человек было семь умерших от рака за 1983-2003 годы. Любой врач-онколог, дочитавший до этого места, высоко вскинет бровь.
Он сделает это потому, что люди в нашу эпоху умирают от рака намного, намного чаще, чем семеро на 10 тысяч за 20 лет. Тайваньские специалисты, обнаружившие этот факт, констатируют: жители того же города таких же когорт, но не подвергавшиеся облучению, в те же годы показывали смертность от рака 232 человека на 10 тысяч за 20 лет. «Кобальтовые» люди получили смертность от рака в тридцать три раза ниже обычных.
Мы даже не можем сказать, какой была смертность от рака среди самой облученной группы: семь смертей на 10 тысяч просто слишком мало, чтобы построить статистическое распределение по уровням облучения. Все, что мы сказать можем: даже среди тех 1100, что получили максимальный уровень облучения, ту самую «марсианскую дозу плюс 38 процентов», смертность от рака была многократно ниже, чем по популяции в целом.
Многие читатели отметят: ничего нового тут нет. Еще в 1955 году опыты на животных показали, что получившие умеренные длительные дозы радиации (несколько большей силы, чем тайваньцы из работы выше) живут дольше не получивших. Например, облучавшиеся каждый день самцы мышей жили на 14,6 процентов дольше, чем необлучавшиеся, да еще и выглядели при этом лучше. Если бы такое удалось с мужчинами в нашей стране, они стали бы жить на десяток лет дольше. С самками, правда, прирост был всего 2,2 процента. Но, с другой стороны, если мы удлиним жизнь женщины на 2,2 процента (для России это более полутора лет), то добившегося такого результата тоже будут на руках носить. Согласимся: да, опыты на животных показывали картину полезности умеренных постоянных доз облучения очень давно. Но факт в том, что до Тайваня на людях такой эксперимент никто не проводил. Поэтому-то он и ценен.
Что тут еще скажешь? Пожалуй, разве вот что: по популяции в целом на Тайване в те годы было 23 случая врожденных дефектов на 1000 детей, включая две смерти по этой причине на 1000 рождений и два случая синдрома Дауна. У жителей «кобальтовых» квартир было 2000 детей за время проживания там, то есть они должны были иметь 46 случаев таких дефектов и четыре случая синдрома Дауна, плюс четыре смерти при родах.
А на практике не умер из этих детей никто. У троих из них — вместо 46 — были врожденные дефекты сердца. Не особенно тяжелые: к 2007 году все эти дети были живы и здоровы. И на этом все — ни синдрома Дауна, ни чего-либо еще. Уровень врожденных дефектов среди них оказался в пятнадцать раз ниже, чем по популяции в целом.
По-хорошему, на основе этого надо проводить эксперименты на животных с попыткой нащупать эффективные пути профилактики рака за счет умеренных ежедневных доз гамма-излучения. В конце концов любой шанс снизить смертность от рака в три десятка раз бесценен: если бы такое удалось в России, здесь умирали бы меньше на 270 тысяч человек в год. На практике, конечно, таких исследований нет и в обозримом будущем не будет. Ведь антиатомные настроения в большинстве обществ Земли значительно сильнее каких-то там научных работ. Которые, по правде сказать, и коллеги-то не читают.
Наконец, тайваньские исследователи сравнили реальные наблюдения с предсказаниями по раку и врожденным дефектам детей от стандартной линейной беспороговой модели оценки вреда от радиации. Она предсказывала, что среди облученных будет 302 раковые смерти — в 100 раз выше факта — и 67 случаев врожденных дефектов детей, в 22 раза выше факта.
Остается напомнить, что именно по этой самой стандартной беспороговой модели вреда от радиации и оценивают вред для здоровья людей от космических перелетов. Насколько точными надо теперь считать такие оценки?
Крысы под космическими лучами
Можно попробовать возразить: кобальт-60 давал гамма-излучения. Космическая же радиация содержит много ядер атомов, у которых другая проникающая способность. Понятно, что у 10 тысяч «кобальтовых» тайваньцев наблюдался так называемый радиационный гормезис, то есть благоприятное воздействие на организм от умеренных доз стрессоров. По сути, что-то типа тренировки, только радиационной, а не в спортзале. Тут вопросов нет.
Но что если галактические космические лучи, из-за большей проникающей способности, случайно все же действуют так, как это рисует линейная беспороговая модель воздействия радиации? Что ж, и это предположение можно проверить с помощью научных работ.
Конечно, здесь надо быть очень внимательным: например, исследователи, аффилированные с NASA, в 2013 году выпустили работу, в которой давали лабораторным животным дозу до 1 грея (очень приличная) исключительно в виде тяжелых ионов железа-56 с энергиями гигаэлектронвольт. Само собой, мыши у них показали признаки болезни Альцгеймера, видимо, об этой работе и говорит Шуршаков, упоминая сходные опасения.
Но есть нюанс: там использовались такие параметры галактических космических лучей, которых в реальной Солнечной системе нет. Реальные галактические лучи только на один процент состоят из ядер атомов тяжелее гелия, и из этого одного процента к железу-56 относится меньшинство. И второй нюанс: космонавты получают свои зиверты равномерно на протяжении лет, а мышам в эксперименте выдали всю эту немаленькую дозу за одну минуту, как будто они пережили Хиросиму, а не полет в космос. Интенсивность излучения в единицу времени в результате превысила реальную космическую в тысячи раз. Иными словами, перед нами эксперимент, не описывающий реальные риски, актуальные для космонавтов.
К сожалению, у нас пока нет Тайваня в космосе. Но зато в 2019 году российские исследователи подвергли группу крыс линии Вистар такому же облучению, которое получил бы космонавт в экспедиции к Марсу за 860 суток — примерный эквивалент одного зиверта. Причем, в отличие от описанной выше работы, облучение было выстроено согласно данным приборов с «Кьюриосити», то есть состояло из более легких ядер углерода, реально часто встречающихся в космосе, а не из ядер железа, встречающихся там намного реже.
Как мы видим из срока 860 суток, российские специалисты исходили из скоростей полетов ниже «старшиповских», поэтому реальная доза радиации у экипажей Илона Маска будет пониже, но мы закроем глаза на эту мелочь. И даже на то, что держать животных у источника космических лучей подолгу на Земле дорого, поэтому крысам эту дозу дали ударно, за короткое время, а не распределили на долгий срок, что смягчило бы эффект и приблизило его к реальному сценарию космического полета.
Так что там вышло с крысами? Ослепли ли они и потеряли ли память? Цитата из соответствующей научной работы:
«…открыты успокаивающие, антидепрессантные, понижающие агрессию и способствующие росту когнитивных возможностей эффекты ионизирующей радиации на центральную нервную систему».
Что там со зрением — это, конечно, вопрос, потому что таблицу с буквами разных размеров крысы игнорируют. Но вот память у них в результате такого облучения существенно улучшилась. Весьма интересный результат.
Есть ли у нас научные работы, которые воспроизводили бы космические лучи «старшиповского» уровня в эксперименте и при этом показывали бы снижение памяти животных? Или какие-то другие проблемы с их здоровьем? Может быть, люди летавшие в космос, болеют раком или чем-то еще статистически значимо чаще обычного? Нет, таких научных работ не существует.
Подведем итоги. Все изложенное выше не отменяет очевидного: большие дозы радиации, полученные в короткие отрезки времени, смертельно опасны. Поэтому не надо искать источники кобальта-60 и добавлять его в клей для ваших обоев. В чистом виде он настолько опасен, что вы прикажете долго жить еще до завершения этой операции.
Однако факты таковы, что галактические космические лучи в дозах, угрожающих космонавтам, до сих пор не показали способности нанести вред организму ни человека, ни любого другого живого организма. Напротив, пользу крысам в эксперименте они принесли. И, судя по судьбе 10 тысяч тайваньцев, это не случайность, а реально работающий — но только при умеренных ежедневных дозах, повторимся, — механизм радиационного гормезиса.
Как же быть с предсказанием Мишель Таллер или позицией людей, близких к «Роскосмосу»? Мы хорошо знаем, что ни NASA, ни «Роскосмос» отправлять людей к Марсу до 2033 года не планируют, а Илон Маск — наоборот.
Несложно понять: в смысле полетов на Красную планету этот человек у обоих космических агентств как бельмо на глазу. Сами они туда лететь не хотят, но если Маск это сделает — им придется. Причем скорее всего — с большими затратами, а то и жертвами. Как люди относятся к тем, кто заставляет их делать сложные вещи, которых они не хотят, читатель вполне может представить самостоятельно.