Войти
Угроза здоровью от космических лучей - это опасность, которую космические лучи представляют для космонавтов на межпланетные миссии или любые миссии, которые проходят через пояса Ван-Аллена или за пределами магнитосферы Земли. Они являются одним из самых серьезных препятствий на пути к планам межпланетных путешествий космических кораблей с экипажем, но риски для здоровья из-за космического излучения также возникают при полетах на низкой околоземной орбите, таких как Международная космическая станция (МКС).
В октябре 2015 года Управление генерального инспектора НАСА выпустило отчет об опасностях для здоровья, связанный с исследованием космоса, включая полет человека. - Марс.
Источники ионизирующего излучения в межпланетном пространстве. Радиационная среда в глубоком космосе отличается от окружающей среды на поверхности Земли или низкой околоземной орбите из-за гораздо больший поток высокоэнергетических галактических космических лучей (ГКЛ), наряду с излучением от солнечных протонных событий (SPE) и радиационных поясов.
Галактические космические лучи (ГКЛ) состоят из высокоэнергетических протоны (85%), гелий (14%) и другие высокоэнергетические ядра (ионы HZE ). Частицы солнечной энергии состоят в основном из протонов, ускоренных Солнцем до высоких энергий за счет близости к солнечным вспышкам и корональным выбросам массы. Тяжелые ионы, протоны с низкой энергией и частицы гелия являются высокоионизирующими формами излучения, которые вызывают заметный биологический ущерб по сравнению с рентгеновскими лучами и гамма-лучами. Микроскопическое депонирование энергии от высокоионизирующих частиц состоит из радиационного трека ядра из-за прямой ионизации частицей и электронов с низкой энергией, образующихся при ионизации, и полутени электронов с более высокой энергией, которые могут простираться на сотни микрон от пути частицы в ткани. Основная дорожка производит чрезвычайно большие кластеры ионизации в пределах нескольких нанометров, что качественно отличается от энерговыделения рентгеновскими лучами и гамма-лучами ; следовательно, данные эпидемиологии человека, которые существуют только для этих последних форм излучения, ограничены в прогнозировании рисков для здоровья от космического излучения для космонавтов.
Но, конечно, радиационные пояса находятся в пределах магнитосферы Земли и не встречаются в глубоком космосе, в то время как в эквивалентах дозы органов на Международной космической станции преобладает GCR, а не захваченное излучение. Микроскопическое депонирование энергии в клетках и тканях отличается от ГКЛ по сравнению с рентгеновскими лучами на Земле, что приводит как к качественным, так и к количественным различиям в биологических эффектах, в то время как эпидемиологических данных по ГКЛ для рака и других смертельных рисков нет.
Солнечный цикл - это примерно 11-летний период различной солнечной активности, включая солнечный максимум, когда солнечный ветер наиболее сильный, и солнечный минимум, когда солнечный ветер самый слабый. Галактические космические лучи создают непрерывную дозу излучения по всей Солнечной системе, которая увеличивается во время солнечного минимума и уменьшается во время солнечного максимума (солнечная активность ). Внутренний и внешний радиационные пояса - это две области захваченных частиц солнечного ветра, которые позже ускоряются за счет динамического взаимодействия с магнитным полем Земли. Хотя они всегда высоки, доза радиации в этих поясах может резко возрасти во время геомагнитных бурь и суббурь. Солнечные протонные события (СПС) - это всплески энергичных протонов, ускоренных Солнцем. Они возникают относительно редко и могут вызывать чрезвычайно высокие уровни радиации. Без толстой защиты СПС достаточно сильны, чтобы вызвать острое радиационное отравление и смерть.
Жизнь на поверхности Земли защищена от галактических космических лучей рядом факторов:
В результате поступление энергии ГКЛ в атмосферу незначительно - около 10 из солнечной радиации - примерно столько же, сколько у звездного света.
Из вышеперечисленных факторов все, кроме первый применяется к аппаратам на низкой околоземной орбите, таким как космический шаттл и Международная космическая станция. Облучения на МКС в среднем 150 мЗв в год, хотя частая смена экипажа сводит к минимуму индивидуальный риск. Астронавты в миссиях Apollo и Skylab получали в среднем 1,2 мЗв / день и 1,4 мЗв / день соответственно. Поскольку продолжительность миссий Apollo и Skylab составляла дни и месяцы соответственно, а не годы, задействованные дозы были меньше, чем можно было бы ожидать в будущих долгосрочных миссиях, таких как к околоземному астероиду или к Марсу (если не намного больше). экранирование может быть обеспечено).
31 мая 2013 года ученые НАСА сообщили, что возможный полет человека на Марс может быть связан с большим радиационным риском в зависимости от количества излучения энергичных частиц. обнаружен детектором оценки радиации (RAD) в Марсианской научной лаборатории во время путешествия с Земли на Марс в 2011 г. –2012. Однако поглощенная доза и эквивалент дозы для полета на Марс были предсказаны в начале 1990-х годов Бадваром, Кучиноттой и другими (см., Например, Badhwar, Cucinotta et al., Radiation Research vol. 138, 201–208, 1994) и Результаты эксперимента MSL в значительной степени соответствуют этим более ранним предсказаниям.
Сравнение доз облучения, включает количество, обнаруженное во время полета с Земли на Марс RAD на MSL (2011–2013). Масштаб по оси Y находится в логарифмическом масштабе. Например, облучение за 6 месяцев на борту МКС примерно в 10 раз больше, чем при компьютерной томографии брюшной полости. Потенциальные острые и хронические последствия космической радиации для здоровья, как и другие виды ионизирующего излучения, включают как прямые повреждение ДНК, косвенные эффекты из-за генерации активных форм кислорода и изменения в биохимии клеток и тканей, которые могут изменять транскрипцию генов и тканевое микроокружение, а также вызывать мутации ДНК. Острые (или ранние радиационные) эффекты возникают в результате высоких доз радиации, и они наиболее вероятны после событий, связанных с солнечными частицами (SPE). Вероятные хронические эффекты космического радиационного облучения включают как случайные события, такие как радиационный канцерогенез, так и детерминированные дегенеративные тканевые эффекты. Однако на сегодняшний день единственной патологией, связанной с воздействием космического излучения, является более высокий риск радиационной катаракты среди космонавтов.
Угроза для здоровья зависит от потока, энергетического спектра и ядерной состав излучения. Спектр потока и энергии зависит от множества факторов: краткосрочной солнечной погоды, долгосрочных тенденций (таких как очевидное увеличение с 1950-х годов) и положения в магнитном поле Солнца. Эти факторы до конца не изучены. Эксперимент по радиационной среде Марса (MARIE) был запущен в 2001 году с целью сбора дополнительных данных. По оценкам, люди, не экранированные в межпланетном пространстве, будут получать ежегодно примерно от 400 до 900 мЗв (по сравнению с 2,4 мЗв на Земле) и что миссия на Марс (12 месяцев в полете и 18 месяцев на Марсе) может подвергнуть экранированных астронавтов примерно от 500 до 1000 мЗв.. Эти дозы приближаются к карьерным пределам от 1 до 4 Зв, рекомендованным Национальным советом по радиационной защите и измерениям (NCRP) для низкой околоземной орбиты в 1989 г., а также более поздними рекомендациями NCRP. 0,5–2 Зв в 2000 г. на основе обновленной информации о коэффициентах преобразования дозы в риск. Пределы дозы зависят от возраста на момент воздействия и пола из-за разницы в восприимчивости с возрастом, дополнительных рисков рака груди и рака яичников для женщин и вариабельности риски рака, такие как рак легких между мужчинами и женщинами. Лабораторное исследование мышей, проведенное в 2017 году, показало, что риск развития рака из-за облучения галактическими космическими лучами (ГКЛ) после полета на Марс может быть в два раза выше, чем предполагалось ранее.
Количественные биологические эффекты космических лучей малоизвестны и являются предметом текущих исследований. Несколько экспериментов, как в космосе, так и на Земле, проводятся для оценки точной степени опасности. Кроме того, влияние космической микрогравитации на репарацию ДНК частично затруднило интерпретацию некоторых результатов. Эксперименты за последние 10 лет показали результаты как выше, так и ниже, чем прогнозируются текущими факторами качества, используемыми в радиационной защите, что указывает на наличие больших неопределенностей. Эксперименты, проведенные в 2007 году в Брукхейвенской национальной лаборатории Лаборатории космической радиации НАСА (NSRL), показывают, что биологический ущерб в результате данного воздействия на самом деле составляет примерно половину того, что было ранее оценено: в частности, это предполагало что протоны с низкой энергией причиняют больший ущерб, чем протоны с высокой энергией. Это объяснялось тем, что более медленные частицы имеют больше времени для взаимодействия с молекулами в теле. Это можно интерпретировать как приемлемый результат для космических путешествий, поскольку затронутые клетки в конечном итоге выделяют больше энергии и с большей вероятностью умрут, не пролиферируя в опухоли. Это контрастирует с нынешней догмой о радиационном воздействии на клетки человека, которая рассматривает излучение с меньшей энергией как более высокий весовой коэффициент для образования опухоли. Относительная биологическая эффективность (ОБЭ) зависит от типа излучения, описываемого числом заряда частицы, Z, и кинетической энергией на а.е.м., Е, и варьируется в зависимости от типа опухоли с ограниченными экспериментальными данными, предполагающими, что лейкоз имеет самый низкий ОБЭ, опухоли печени - самый высокий ОБЭ, и ограниченные или отсутствующие экспериментальные данные об ОБЭ доступны для рака, который доминирует над риском рака у человека, включая рак легких, желудка, груди и рак мочевого пузыря. Были проведены исследования опухолей желез Хардера на одной линии самок мышей с несколькими тяжелыми ионами, однако неясно, насколько хорошо ОБЭ для этого типа опухоли представляет ОБЭ для рака человека, такого как рак легких, желудка, груди и мочевого пузыря, или как ОБЭ меняется в зависимости от пола и генетического фона.
Частью летней миссии МКС является определение воздействия космических лучей на здоровье в течение года, проведенного на борту Международной космической станции. Однако размеры выборки для точной оценки рисков для здоровья непосредственно на основе наблюдений экипажа за вызывающими озабоченность рисками (рак, катаракта, когнитивные изменения и изменения памяти, поздние риски ЦНС, заболевания кровообращения и т. Д.) Велики (обычно>>10 человек) и обязательно требуют длительного наблюдения после миссии (>10 лет). Достаточному количеству астронавтов будет трудно занять МКС, а миссии будут продолжаться достаточно долго, чтобы повлиять на прогнозы рисков для поздних эффектов из-за статистических ограничений. Отсюда необходимость наземных исследований для прогнозирования рисков для здоровья, связанных с космическими лучами. Кроме того, требования радиационной безопасности требуют, чтобы риски были адекватно поняты до того, как космонавты подвергнутся значительному риску, и должны быть разработаны методы снижения рисков, если это необходимо.
Гипотетические ранние и поздние эффекты на центральную нервную систему вызывают большую озабоченность NASA и являются областью активного текущего исследовательского интереса. Постулируется, что краткосрочные и долгосрочные эффекты воздействия галактической космической радиации на ЦНС могут представлять значительные неврологические риски для здоровья человека при длительных космических путешествиях. Оценки предполагают значительное воздействие высокоэнергетических тяжелых ионов (HZE), а также протонов и вторичного излучения во время Марса или длительных лунных полетов с оценками эффективных доз на все тело в диапазоне от 0,17 до более 1,0 Зв. Учитывая высокий потенциал линейной передачи энергии таких частиц, значительная часть этих клеток, подвергшихся воздействию HZE-излучения, вероятно, погибнет. Основываясь на расчетах плотности потока тяжелых ионов во время космического полета, а также на различных экспериментальных моделях ячеек, во время таких миссий может погибнуть до 5% ячеек астронавта. Что касается клеток в критических областях мозга, до 13% таких клеток могут быть пройдены по крайней мере один раз ионом железа в течение трехлетнего полета на Марс. Несколько астронавтов Аполлона сообщили, что видели световые вспышки, хотя точные биологические механизмы, ответственные за это, неясны. Вероятные пути включают взаимодействия тяжелых ионов с фоторецепторами сетчатки и излучение Черенкова, возникающие в результате взаимодействия частиц внутри стекловидного тела. Это явление было воспроизведено на Земле учеными из различных учреждений. Поскольку продолжительность самых продолжительных полетов Аполлона составляла менее двух недель, у астронавтов было ограниченное кумулятивное облучение и соответствующий низкий риск радиационного канцерогенеза. Кроме того, таких астронавтов было всего 24 человека, что делало статистический анализ любого потенциального воздействия на здоровье проблематичным.
В приведенном выше обсуждении эквиваленты дозы указаны в единицах зиверта (Зв), однако Зв - это единица для сравнения риска рака для различных типов ионизирующего излучения. Для воздействия на ЦНС более полезны поглощенные дозы в Гр, в то время как ОБЭ для воздействия на ЦНС плохо изучен. Кроме того, утверждение о «гипотетическом» риске проблематично, в то время как оценки риска космического излучения для ЦНС в основном сосредоточены на ранних и поздних нарушениях памяти и познания (например, Кучинотта, Альп, Сульцман и Ван, Науки о жизни в космических исследованиях, 2014).
31 декабря 2012 года исследование, поддержанное НАСА, показало, что полет человека в космос может нанести вред мозгу космонавтов и ускорить начало болезни Альцгеймера. Это исследование проблематично из-за множества факторов, в том числе интенсивности воздействия на мышей радиации, которая намного превышает нормальную скорость полета.
Обзор космической радиобиологии ЦНС, проведенный Кучиноттой, Альпом, Сульцманом и Вангом (Life Sciences in Space Research, 2014), суммирует результаты исследований на мелких животных изменений когнитивных функций и памяти, нейровоспаления, морфологии нейронов, и нарушение нейрогенеза в гиппокампе. Исследования с использованием моделированной космической радиации на мелких животных показывают, что временные или долгосрочные когнитивные нарушения могут возникать во время долгосрочной космической миссии. Изменения морфологии нейронов в гиппокампе и префронтальной коре мышей происходят из-за тяжелых ионов при низких дозах (<0.3 Gy). Studies in mice and rats of chronic neuro-inflammation and behavioral changes show variable results at low doses (~0.1 Gy or lower). Further research is needed to understand if such cognitive detriments induced by space radiation would occur in astronauts and whether they would negatively impact a Mars mission.
совокупные дозы тяжелых ионов в космосе низкие, так что критически важные клетки и клеточные компоненты получат пересечение только 0 или 1 частицы. Доза тяжелых ионов для миссии на Марс вблизи солнечного минимума будет ~ 0,05 Гр и ниже для миссий в другое время солнечного цикла. Это предполагает, что эффекты мощности дозы не будут возникать для тяжелых ионов до тех пор, пока общие дозы, используемые в экспериментальных исследованиях в относительно небольшие (<~0.1 Gy). At larger doses (>~ 0,1 Гр) критические ячейки и компоненты ячеек могут пройти более одной частицы, что не отражает условий дальнего космоса для длительных миссий, таких как полет на Марс. Альтернативное предположение было бы, если бы микросреда ткани модифицируется за счет эффекта передачи сигналов на большие расстояния или изменения биохимии, в результате чего проникновение частицы в одни клетки изменяет реакцию других клеток, через которые частицы не проходят. Для оценки этого альтернативного предположения доступны скупленные экспериментальные данные, особенно в отношении эффектов центральной нервной системы.
Стандартное экранирование космического корабля, интегрированное в конструкцию корпуса, является надежной защитой от большей части солнечного излучения, но поражает эту цель с помощью космических лучей высокой энергии, поскольку оно просто расщепляется это в потоки вторичных частиц. Этот поток вторичных и фрагментированных частиц можно уменьшить за счет использования водорода или легких элементов для защиты. Материальная защита может быть эффективной против галактических космических лучей, но тонкая защита может на самом деле усугубить проблему для некоторых лучей с более высокой энергией, потому что большее экранирование вызывает повышенное количество вторичного излучения, хотя толстое экранирование также может противодействовать этому. Например, считается, что алюминиевые стены МКС обеспечивают чистое снижение радиационного воздействия. В межпланетном пространстве, однако, считается, что тонкая алюминиевая защита приведет к чистому увеличению радиационного облучения, но будет постепенно уменьшаться по мере добавления дополнительной защиты для захвата генерируемого вторичного излучения.
Исследования космической радиационной защиты должны включать в себя ткани или экранирование в водном эквиваленте вместе с исследуемым экранирующим материалом. Это наблюдение легко понять, если отметить, что средняя величина самозащиты чувствительных органов тканью составляет около 10 см, и что вторичное излучение, производимое в ткани, такое как протоны низкой энергии, гелий и тяжелые ионы, имеет высокую линейную передачу энергии (LET) и вносят значительный вклад (>25%) в общий биологический ущерб от GCR. Исследования алюминия, полиэтилена, жидкого водорода или других защитных материалов будут включать вторичное излучение, не отражающее вторичное излучение, производимое в тканях, поэтому необходимо включать экранирование тканевого эквивалента в исследования эффективности защиты от космического излучения.
В настоящее время изучается несколько стратегий смягчения последствий этой радиационной опасности для запланированного межпланетного полета человека в космос:
Также потребуются особые меры для защиты от солнечного протонного события, которое может увеличить потоки до уровней, которые убили бы экипаж за часы или дни, а не месяцы или годы. Возможные стратегии смягчения последствий включают создание небольшого жилого пространства за водопроводом космического корабля или с особенно толстыми стенами или предоставление возможности выхода из защитной среды, обеспечиваемой магнитосферой Земли. Миссия «Аполлон» использовала комбинацию обеих стратегий. После получения подтверждения SPE астронавты переместятся в командный модуль, у которого алюминиевые стенки толще, чем у лунного модуля, а затем вернутся на Землю. Позже на основе измерений, проведенных приборами на «Аполлоне», было установлено, что командный модуль обеспечил бы достаточную защиту, чтобы предотвратить значительный ущерб экипажу.
Ни одна из этих стратегий в настоящее время не обеспечивает метод защиты, который был бы известен как достаточный. при соблюдении возможных ограничений по массе полезной нагрузки в настоящее время (около 10 000 долл. США / кг) стартовых цен. Такие ученые, как почетный профессор Чикагского университета Юджин Паркер, не оптимистичны, это может быть решено в ближайшее время. Для пассивного массового экранирования требуемое количество может быть слишком тяжелым, чтобы его можно было по доступной цене доставить в космос без изменений в экономике (например, гипотетический неракетный запуск или использование внеземных ресурсов) - многие сотни метрических тонн за разумную -размерное боевое отделение. Например, исследование НАСА для амбициозной большой космической станции предусматривало 4 метрических тонны на квадратный метр защиты для снижения радиационного воздействия до 2,5 мЗв в год (± коэффициент неопределенности 2), что в некоторых случаях составляет менее десятков миллизивертов или более. заселены зонами с высоким естественным фоновым излучением на Земле, но чистая масса для такого уровня смягчения была сочтена целесообразной только потому, что сначала потребовалось создание лунного генератора массы для запуска материала.
Было рассмотрено несколько методов активной защиты, которые могут быть менее массивными, чем пассивная защита, но они остаются спекулятивными. Поскольку тип излучения, проникающего дальше всего сквозь толстую материальную защиту, глубоко в межпланетное пространство, представляет собой положительно заряженные ядра с энергией ГэВ, было предложено отталкивающее электростатическое поле, но оно имеет проблемы, включая нестабильность плазмы и мощность, необходимую для того, чтобы ускоритель постоянно удерживал заряд. нейтрализуется электронами дальнего космоса. Более распространенным предложением является магнитная защита, создаваемая сверхпроводниками (или плазменными токами). Среди трудностей, связанных с этим предложением, является то, что для компактной системы вокруг космического корабля с экипажем могут потребоваться магнитные поля до 10–20 тесла, что выше, чем несколько тесла в аппаратах MRI. Такие высокие поля могут вызывать головные боли и мигрени у пациентов с МРТ, и длительное воздействие таких полей не изучалось. Конструкция с противоположным электромагнитом может нейтрализовать поле в отсеках экипажа космического корабля, но потребует большей массы. Также возможно использовать комбинацию магнитного поля с электростатическим полем, при этом космический аппарат имеет нулевой общий заряд. Гибридная конструкция теоретически решила бы проблемы, но была бы сложной и, возможно, неосуществимой.
Отчасти неопределенность заключается в том, что влияние воздействия на человека галактических космических лучей плохо известно в количественном выражении. Лаборатория космической радиации НАСА в настоящее время изучает влияние радиации на живые организмы, а также защитные экраны.
Помимо пассивных и активных методов радиационной защиты, которые направлены на защиту космического корабля от вредного космического излучения, большой интерес вызывает разработка индивидуальных радиационно-защитных костюмов для космонавтов. Причина выбора таких методов защиты от излучения заключается в том, что при пассивной защите добавление определенной толщины к космическому кораблю может увеличить массу космического корабля на несколько тысяч килограммов. Эта масса может превосходить ограничения на запуск и стоит несколько миллионов долларов. С другой стороны, методы активной радиационной защиты - это новая технология, которая еще далека от тестирования и внедрения. Даже при одновременном использовании активной и пассивной защиты носимая защитная защита может быть полезной, особенно для снижения воздействия на здоровье SPE, которые обычно состоят из частиц, которые имеют меньшую проникающую силу, чем частицы GCR. Материалы, предлагаемые для этого типа защитного снаряжения, часто представляют собой полиэтилен или другие полимеры, богатые водородом. Вода также предлагается в качестве защитного материала. Ограничение носимых защитных решений заключается в том, что они должны быть эргономически совместимы с потребностями экипажа, такими как перемещение внутри помещения экипажа. Одна попытка создать носимую защиту от космического излучения была предпринята Итальянским космическим агентством, где была предложена одежда, которая могла быть заполнена оборотной водой по сигналу входящего SPE. Совместные усилия Израильского космического агентства, StemRad. и Локхид Мартин. был AstroRad, протестирован на борту МКС. Изделие разработано как эргономичный защитный жилет, который может минимизировать эффективную дозу SPE до такой же степени, как и бортовые штормовые укрытия. Он также может несколько снизить эффективную дозу ГКЛ за счет широкого использования во время миссии во время таких рутинных действий, как сон. В этой радиационно-защитной одежде используются методы селективной защиты для защиты большинства чувствительных к излучению органов, таких как BFO, желудок, легкие и другие внутренние органы, тем самым снижая массовые штрафы и стоимость запуска.
Еще одно направление исследований - разработка лекарств, которые повышают естественную способность организма восстанавливать повреждения, вызванные радиацией. В число рассматриваемых препаратов входят ретиноиды, которые представляют собой витамины с антиоксидантными свойствами, и молекулы, замедляющие деление клеток, давая организму время на устранение повреждений. прежде, чем могут быть продублированы вредные мутации.
Также высказывалось предположение, что только посредством существенных улучшений и модификаций человеческое тело могло выдержать условия космических путешествий. Хотя технические решения не ограничиваются основными законами природы, это выходит далеко за рамки современной науки медицины. См. трансгуманизм.
Из-за потенциальных негативных последствий воздействия космических лучей на космонавтов, солнечная активность может сыграть роль в будущих космических путешествиях. Поскольку потоки галактических космических лучей внутри Солнечной системы ниже в периоды сильной солнечной активности, межпланетные путешествия во время максимума солнечной активности должны минимизировать среднюю дозу облучения астронавтов.
Хотя эффект Форбуш-уменьшения во время выбросов корональной массы может временно снизить поток галактических космических лучей, короткую продолжительность эффекта (1–3 дня) и примерно 1% вероятность того, что CME генерирует опасное солнечное протонное событие, ограничивая полезность временных миссий, чтобы совпадать с CME.
Доза излучения от радиационных поясов Земли обычно снижается за счет выбора орбит, которые избегают поясов или проходят через них относительно быстро. Например, низкая околоземная орбита с малым наклонением обычно будет ниже внутреннего пояса.
Орбиты системы Земля-Луна точки Лагранжа L2 - L5 выводят их из-под защиты магнитосферы Земли примерно на две трети времени.
Орбиты системы Земля-Солнце Точки Лагранжа L1 и L3 - L5 всегда находятся вне защиты магнитосферы Земли.
Космический портал 