Учёные оценили угрозу радиации при полёте на Марс. Уровень радиации на марсе сравнительно низкий Уровень радиации на марсе в рентгенах
Американские учёные представили первый подробный отчёт о радиации на поверхности Марса. В основу легли данные собранные за первые триста дней миссии детектором оценки радиации (RAD), установленным на марсоходе Curiosity.
Результаты, опубликованные в журнале Science , показывают, что радиоактивное излучение хоть и представляет угрозу здоровью астронавтов, но всё-таки не ставит крест на планах пилотируемых полётов.
Излучение на Марсе гораздо жестче, чем на Земле по двум причинам. Во-первых, там отсутствует глобальное магнитное поле, которое прикрывает землян. Во-вторых, слишком тонкий слой атмосферы обеспечивает небольшую защиту от солнечного излучения, но бесполезен против космических лучей.
В среднем радиоактивное воздействие на поверхности планеты эквивалентно дозе в 0,67 миллизивертов. Это почти в три раза меньше дозы в 1,8 миллизивертов, которую ежесуточно регистрировал RAD во время межпланетного перелёта.
За первые восемь месяцев работы марсохода RAD зафиксировал один мощный всплеск излучения, связанный с вспышкой на Солнце, а также три "провала", вызванных корональными выбросами в межпланетное пространство , которые обеспечили магнитное экранирование от космического излучения.
"Мы продолжаем следить за радиационной обстановкой в разные периоды солнечного цикла и наблюдаем за последствиями крупных солнечных бурь. Эти измерения дают нам важную информацию для планирования будущих экспедиций", — сообщил в пресс-релизе NASA главный исследователь RAD Дон Хасслер (Donald Hassler) из Юго-западного исследовательского института в Боулдере.
Предполагается, что экспедиция к Красной планете продлится 860 суток, из которых 180 уйдёт на перелёт в каждую сторону, и ещё 500 суток земляне проведут на поверхности планеты. Во время пилотируемого полёта дозу облучения можно будет снизить с помощью .
По оценке специалистов суммарная доза облучения, которую космические путешественники получат за всё путешествие, составит около одного зиверта .Такая доза не считается смертельной, но увеличивает риск развития смертельных форм рака как минимум на 5%.
Отметим, что согласно действующим правилам Американского космического агентства NASA риск подобных заболеваний за всю карьеру астронавтов не должен повышаться более чем на 3%. Однако существующие нормы были рассчитаны для работы на низкой околоземной орбите и, конечно же, требуют корректировки для дальних полётов.
Сейчас НАСА совместно с Институтом медицины (IOM) проводят исследования, чтобы разработать нормы и ограничения для экспедиций к другим планетам, в частности, к Марсу.
Новое исследование кроме чисто практического значения для будущих экспедиций проливает свет на . Уровень радиации на поверхности планеты позволяет предположить, что микробные организмы не могли сохраниться в верхних слоях почвы, а признаки существующих или прошлых форм жизни следует искать в скважинах .
Риск радиационного облучения на Марсе для людей не так велик, как считалось раньше, новые результаты, полученные марсоходом Curiosity (Кьюриосити), говорят о том, что теперь это не является препятствием для долговременных пилотируемых миссий к Красной Планете.
В результате миссии, которая будет состоять из 180 дней путешествия в один конец (к Красной Планете или обратно к Земле) и 500 дней, проведенных собственно на Марсе, человек получит суммарную дозу облучения, равную 1.01 зиверта, - таков результат измерений, проведенных детектором излучений ровера Radiation Assessment Detector (RAD).
Европейское Космическое Агентство ограничило допустимую дозу облучения, которую получают космонавты за все время своей работы, 1 зивертом – при этом риск возникновения злокачественных опухолей возрастает на 5%.
«Безусловно, это приемлемое число», - заявляет руководитель отдела RAD Дон Хасслер (Don Hassler) из Юго-Западного Научно-Исследовательского Института в Боулдере, и ведущий автор исследования, результаты которого были опубликованы 9 декабря в журнале Science.
Доза облучения, полученного на Марсе, в 1 зиверт, превышает существующие стандарты NASA, которые ограничивают для астронавтов возрастающий риск заболевания раком, тремя процентами. Однако эти границы были установлены для миссий, предназначенных для полетов на околоземной орбите, в ближайшее время они могут быть пересмотрены с учетом более далеких полетов, считает Хасслер.
"NASA работает с Институтом Медицины Национальной Академии Наук, чтобы оценить, какими будут приемлемые границы для дальних космических полетов, таких, как миссия на Марс", - заявляет Хасслер.
Новые результаты представляют собой наиболее полную на данный момент картину радиационного окружения на пути к Марсу и на поверхности Красной Планеты. В них входят данные, которые RAD собрал за 8 месяцев, которые длилось космическое путешествие к Марсу, и в течение первых 300 дней на планете, - с августа 2012 года.
Измерения RAD охватывают два разных типа излучения энергетических частиц – галактических космических лучей, которые ускоряются до невероятных скоростей взрывами отдаленных сверхновых, и солнечных энергетических частиц, которые выбрасываются в космос штормами, которые происходят на Солнце.
Данные RAD показывают, что космонавты, исследующие поверхность Марса, будут получать дозу, равную приблизительно 0.64 миллизиверта каждый день. Во время путешествия к Марсу уровень радиации будет выше приблизительно в три раза - 1.84 миллизиверта каждый день.
Однако, Хасслер подчеркивает, что радиационное окружение Марса динамично, поэтому измерения Curiosity – не окончательные. Например, данные RAD были собраны во время пика 11-летнего цикла солнечной активности, в то время, когда поток галактических космических лучей относительно низкий (так как солнечная плазма обычно рассеивает солнечные лучи).
Измерения, сделанные Curiosity, должны помочь NASA в планировании пилотируемой миссии к Марсу, которую космическое агентство планирует запустить в середине 2030-х. Так же они дают информацию, которая помогает в поисках признаков жизни на Красной Планете в настоящем или прошлом – еще одна из главных задач, поставленных NASA.
Например, Хасслер заявляет, что новые результаты исследований RAD позволяют предположить, что на поверхности Марса найти признаки жизни будет затруднительно. "Эти измерения говорят нам о том, что признаки жизни на планете в прошлом можно найти на глубине около 1 метра", - говорит Хасслер.
Наука
Прошло уже три месяца с тех пор, как марсоход Curiosity приземлился на Красную планету, чтобы определить, способен ли Марс поддерживать жизнь.
Один из факторов, ограничивающих условия обитаемости, важных для будущих пилотируемых миссий – был уровень радиации от космических лучей и солнечных частиц, который попадает на поверхность планеты.
Чтобы выяснить это, инструмент марсохода для измерения радиации, называемый RAD, собрал данные, касающиеся ежедневных циклов радиации, достигающих Curiosity .
Атмосфера Марса действует как щит для радиации на поверхности планеты. Ученые знают об этом, так как по мере того, как утолщается атмосфера, уровень радиации падает на 3-5 процентов.
Проблема состояла в том, что атмосфера Марса в 100 раз тоньше, чем на Земле , что говорит о более легком проникновении радиации и большей опасности для космонавтов.
Жизнь на Марсе: уровень радиации
Так смогут ли космонавты выжить в марсианской среде?
"Совершенно точно, космонавты смогут жить в этой среде ", - объявил главный исследователь Дан Хасслер. "По крайней мере, какой-то ограниченный период времени".
Уровень радиации на поверхности Марса примерно вдвое меньше того, что ученые наблюдают во время полетов в дальний космос . Главная проблема - это накапливание радиации в течение длительного времени.
А вот что точно известно, так это то, что миссия на Марс будет долгой - около 3 лет, включая около 6 месяцев, чтобы туда добраться и еще шесть, чтобы вернуться. Существует предел с точки зрения суммарной дозы излучения, которое может испытать космонавт.
В обычный день, космонавт в глубоком космосе защищен от радиации. Лучевая болезнь не возникает сразу. Но сценарий может измениться, если космонавты столкнуться с событием, когда излучается большое количество радиации, как например при солнечной буре. Кроме того, космонавты будут подвержены более высокому уровню радиации по пути к планете, чем на ее поверхности .
Пока ученые продолжают проводить измерения, а заключение об уровне радиации еще предстоит сделать.
"Вопрос не состоит в том, отправимся ли мы на Марс. Важно, когда мы туда отправимся и как лучше защитить наших космонавтов", - объяснил Хасслер.
Марсоход Curiosity: фото с Марса
1. Снимок высокого разрешения марсохода Curiosity, сделанный с помощью его роботизированной руки
Марсоход Curiosity проводит свои первые измерения радиации на поверхности другой планеты для того, чтобы определить, могут ли будущие исследователи жить на Марсе - так как марсоход пересекает ландшафт Красной Планеты. Curiosity смотрит назад на свои следы и холмы Mount Sharp и разрушенную кромку кратера Гейла на дальнем горизонте на 24 марсианский день миссии (30 августа 2012). Эта панорама представлена в новом документальном фильме PBS NOVA "Ultimate Mars Challenge" , который был представлен публике 14 ноября 2012. RAD расположен на палубе марсохода на этой цветной сшитой вместе мозаике из фотографий Navcam командой обработки фотографий из Ken Kremer и Marco Di Lorenzo. Предоставлено: NASA / JPL-Caltech / Ken Kremer / Marco Di Lorenzo.
Металлические роботы, построенные изобретательными людьми, могут выживать на Марсе. Но что же о будущих астронавтах людях?
Мужественный марсоход НАСА Mars Exploration Rover Opportunity процветал почти десятилетие, пересекая равнины Meridiani Planum, несмотря на продолжительную бомбардировку стерилизующей космической и солнечной радиацией от заряженных частиц благодаря его внутренностям, защищенным от радиации.
Как о людях? Какая судьба ожидает их на в смелой и вероятно долгой экспедиции продолжительностью в год в бесконечно экстремальной и решительно суровой окружающей среде на поверхности Красной Планеты, пропитанной радиацией - если кто-нибудь когда-нибудь доберется сюда с Земли? Сколько защиты необходимо людям?
Ответ на эти вопросы - один из ключевых квестов для марсохода Curiosity размером с внедорожник - прошло более 100 дней его 2-х летней главной миссии.
Предварительные данные выглядят многообещающими.
Curiosity пережил 8-ми месячное межпланетное путешествие и беспрецедентный маневр спуска через атмосферу на реактивном небесном кране для безопасного касания земли внутри кратера Гейла около возвышающихся слоистых холмов Mount Sharp высотой 5 км 6 августа 2012.
Теперь у есть задание оценить, предлагал ли когда-нибудь и пригодную для обитания микробных форм жизни среду - в прошлом или будущем. Характеристика естественно встречающихся уровней радиации, остающихся от галактического космического излучения и , будет адресована к вопросу как о микробах, так и об астронавтах. может разрушить органические молекулы около поверхности.
Исследователи используют инструмент Curiosity современного технического уровня Radiation Assessment Detector (RAD), чтобы отслеживать высоко энергетическую радиацию на ежедневной основе и помочь определить потенциал рисков для здоровья для реальной жизни, представленный для будущих исследователей-людей на марсианской поверхности.
"Атмосфера обеспечивает уровень защиты, и радиация от таких заряженных частиц меньше, когда атмосфера тоньше", сказал главный исследователь RAD Don Hassler из Юго-Западного Исследовательского Института в Боулдере, Коло. Смотрите графики ниже.
"Абсолютно, астронавты могут жить в этой среде. Она не сильно отличается от той, что астронавты могут испытывать на Международной Космической Станции. Реальный вопрос в том, что если сложить общий вклад в общую дозу астронавта на Марсе, миссия может иметь ограничения для вас, поскольку вы аккумулируете эти числа. Со временем вы достигните тех чисел", объяснил Hassler.
Первоначальные данные RAD первых двух месяцев на поверхности были продемонстрированы на медиа брифинге для репортеров в четверг 15 ноября 2012 и показывают, что радиация несколько ниже на поверхности Марса по сравнению с космической средой из-за защиты марсианской атмосферы.
Долгосрочные изменения радиации в кратере Гейла. График показывает изменение дозы радиации, измеренной Radiation Assessment Detector на марсоходе NASA Curiosity в течение 50 марсианских дней. (На Земле 10 марсианский день был 15 сентября и 60 день - 6 октября 2012). Мощность дозы (как от заряженных частиц, так и нейтральных частиц) была измерена, используя пластмассовый сцинтиллятор, и она показана красным. Предоставлено: NASA/JPL-Caltech/ SwRI.
RAD не обнаружил каких-либо больших солнечных вспышек с поверхности. "Это будет очень важно", сказал Hassler.
"Если бы там была массивная солнечная вспышка, она могла иметь острое воздействие, которое могло бы вызвать рвоту и потенциально подвергнуть миссию опасности с астронавтом в скафандре".
"В целом, атмосфера Марса уменьшает дозу радиации по сравнению с той, что мы видим в течение круиза к Марсу в два раза".
RAD работал и уже провел измерения радиации в течение межпланетного полета космического корабля по сравнению с новыми данными, теперь собранными на дне кратера Гейла.
Марсианское атмосферное давление немного меньше 1% от Земного. Оно чуть-чуть меняется в отношении атмосферных циклов в зависимости от температуры и цикла замерзания-таяния полярных ледяных шапок и результирующих ежедневных тепловых приливов.
"Мы видим ежедневное изменение дозы радиации, измеренной на поверхности, которая обратно пропорциональна давлению атмосферы. Атмосфера Марса действует как щит для радиации. Когда атмосфера становится толще, это обеспечивает больше защиты. Поэтому мы видим падения в дозе радиации на 3-5% каждый день", сказал Hassler.
Автопортрет Curiosity с Mount Sharp на песчаной дюне Rocknest в кратере Гейла. Curiosity использовал камеру Mars Hand Lens Imager (MAHLI) на роботизированной руке, чтобы отобразить себя и свое целевое место назначения Mount Sharp на заднем плане. Горы на фоне слева - это северная стена кратера Гейла. Эта цветная панорамная мозаика была собрана из необработанных фотографий, снятых на 85 марсианский день миссии (1 ноября 2012). Предоставлено: NASA/JPL-Caltech/MSSS/ /Marco Di Lorenzo.
Существуют
также сезонные изменения в уровнях радиации, поскольку Марс движется в пространстве.
Команда RAD все еще обрабатывает данные о радиации.
"Есть калибровки и характеристики, которые мы завершаем, чтобы получить эти числа точными. Мы работаем над этим. И мы надеемся опубликовать их на встрече Американского Геофизического Союза в декабре".
Ежедневные циклы радиации и давления в кратере Гейла. Этот график показывает ежедневные изменения в марсианской радиации и атмосферном давлении, измеренные марсоходом Curiosity. Когда давление растет, общая доза радиации уменьшается. Когда атмосферное давление больше, оно обеспечивает лучший барьер с более эффективной защитой от радиации извне. В каждом максимуме давления, уровень радиации падает на 3-5%. Уровень радиации поднимается в конце графика из-за долгосрочной тенденции, которую ученые все еще изучают. Предоставлено: NASA/JPL-Caltech/SwRI.
Радиация - это фактор ограничения обитаемости жизни. RAD - это первый научный инструмент для прямого измерения радиации на поверхности другой планеты.
"Curiosity обнаруживает, что радиационная среда на Марсе чувствительна к марсианской погоде и климату", сделал вывод.
В отличие от Земли, Марс потерял свое магнитное поле около 3.5 миллиардов лет назад - и поэтому большую часть защитной способности от вредных уровней радиации энергетических частиц из космоса.
Гораздо больше данных нужно будет собрать RAD прежде чем какой-либо заключительный вывод по , и как долго и какой тип среды обитания, может быть получен.
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.
Результат не вдохновляет - эквивалентная доза поглощенного радиационного облучения в 2 раза превосходит дозу МКС. И в четыре - ту, которая считается предельно допустимой для АЭС.
То есть шестимесячный полет к Марсу примерно равносилен 1 году проведенному на околоземной орбите или двум на атомной электростанции. 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. С учетом того, что на МКС ежедневная доза составляет до 1 мЗв, 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.
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.
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.
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.
