Оказалось, наиболее эффективной защитой от ионизирующего излучения во время полета на Марс является неожиданный подход: совершить путешествие в период максимальной солнечной активности. К такому заключению пришли ученые из международной группы, исследовавшие различные способы защиты космического корабля и возможный уровень радиации на пути к Красной планете. Также была установлена максимально допустимая продолжительность экспедиции.
Специалисты из Сколковского института науки и технологий (Россия), Потсдамского центра имени Гельмгольца (Германия), Калифорнийского университета и Массачусетского технологического института (США) провели исследование, в результате которого были получены неожиданные результаты. Статья опубликована в журнале Space Weather, текст находится в открытом доступе.
Два наиболее значительных источника ионизирующего излучения в межпланетном пространстве — это высокоэнергетические частицы солнечного происхождения ( SEP), и галактические космические лучи (GCR). Интенсивность каждого из них тесно связана с активностью нашей звезды. Повышенная активность звезды приводит к уменьшению количества опасного излучения, достигающего солнечной системы. Это объясняется тем, что выбрасываемое звездой вещество создает давление на окружающее пространство, формируя вокруг нее своеобразную гелиосферу).
Эта защитная структура способна отражать или уменьшать воздействие высокоэнергетических частиц, прилетающих из дальнего космоса — из нашей или иных галактик. Однако, в периоды максимальной активности, Солнце более интенсивно облучает все объекты, находящиеся внутри гелиосферы. В особенности это касается незащищенных магнитным полем и атмосферой объектов, таких как космический корабль, направляющийся к Марсу. Имеется в виду не только поток фотонов видимого или инфракрасного спектра, способных нагревать и пригодных для выработки электроэнергии. Солнце излучает альфа-частицы, протоны, электроны и даже ионы некоторых химических элементов.
Несмотря на относительно высокую энергию всего этого сочетания различных частиц, их опасность остается меньше, чем у галактических космических лучей. GCR обладают гораздо большей энергией и могут навредить сильнее. Так что лететь в межпланетном пространстве во время минимума солнечной активности, когда внешние границы гелиосферы задерживают меньше внешнего излучения, — плохая идея. Следовательно, необходимо установить, какова максимальная безопасная длительность экспедиции к Марсу именно в те периоды, когда Солнце активнее всего.
Для ответа на поставленный вопрос авторы новой научной работы применили компьютерное моделирование «человекозаменителя» — сферы диаметром 25 сантиметров с алюминиевой оболочкой и водой внутри. Эта упрощенная модель, давно применяемая в подобных исследованиях, прошла практическую проверку. Важно отметить, что она позволяет одновременно оценивать несколько параметров радиационной защиты: эффективность экранирования аппарата оболочкой, эффективность «самоэкранирования» человека (степень замедления частиц различных энергий внешними тканями тела), а также энергетику и глубину проникновения частиц, которые не были задержаны.
Виртуальную модель человека помещали в симуляцию радиационной среды межпланетного пространства. Для создания этой симуляции использовали данные реальных наблюдений солнечной активности, собранные в период с 1997 по 2014 год. Полученные результаты показали, что на значительную глубину в тело человека проникает минимальное количество ионизирующего излучения при поверхностной плотности обшивки космического корабля около 30 граммов на сантиметр квадратный. Дальнейшее увеличение защиты приводит к образованию большего количества вторичной радиации, преимущественно нейтронного потока, что в конечном итоге увеличивает дозу, получаемую космонавтами или астронавтами.
Основной источник излучения, проникающего через защиту космического корабля даже в периоды высокой солнечной активности, составляют галактические космические лучи. Таким образом, относительно легкая обшивка, предназначенная для полета на Марс, надежно защитит экипаж от вредного облучения. Дополнительные меры предосторожности могут понадобиться лишь во время особенно мощных солнечных вспышек. Однако, благодаря нескольким космическим аппаратам, осуществляющим мониторинг Солнца, подобные события можно своевременно обнаруживать и заранее предупреждать экспедицию.
Моделирование, проведенное в рамках различных проектов, указывает на то, что безопасная продолжительность марсианской экспедиции может составлять до 3,8 года. Принимая во внимание, что даже разреженная атмосфера Марса обеспечивает некоторую защиту от космического излучения, возможны и четырехлетние полеты с высадкой. Этот вывод основан на ограничении в один зиверт, установленном для максимальной дозы облучения астронавта за всю карьеру, и соответствует требованиям космических агентств Европы, Канады и России. Американское NASA пока занимается пересмотром аналогичных нормативов в большую сторону, поскольку нынешние (разнятся в зависимости от возраста и пола, но не превышают 0,4 зиверта) не позволяют проводить длительные миссии к другим планетам.