Дозы радиации при полете на Луну

12:35 05/11/2017
Комментарии 3 👁 15 803

Apollo Аполлон

Характерной особенностью рентгеновского излучения является очень короткая длина волны, что позволяет этому виду электромагнитных волн нести большую энергию и придает ему высокую проникающую способность. В отличие от света, рентгеновские лучи способны проникать сквозь тело человека (“просвечивать его”).

Во время прохождения через организм человека рентгеновские лучи “разбивают” сложные молекулы и атомы ДНК человека на заряженные частицы и активные молекулы.

В отличие от протонного ливня и солнечного ветра, опасность которых можно предупредить за час, рентгеновское излучение распространяется со скоростью света. Заблаговременно предупредить об их “приближении” физически невозможно. По этой причине рентгеновские лучи могут представлять собой неожиданную и серьезную угрозу для человека на Луне.

Как и в случае других видов радиации, опасным считается только рентгеновское излучение определенной интенсивности, которое воздействует на организм человека в течение достаточно долгого промежутка времени.

Американские ученые о радиационном риске рентгеновского излучения от Солнца

Дэвид Смит (David Smith) из лаборатории лунных и планетных исследований в г. Таксон, штат Аризона, и Джон Скало (John Scalo) из техасского университета в г. Остин провели исследование по радиационному риску рентгеновского излучения.

Проведенные учеными расчеты показали, что астронавт в околоземном или окололунном космическом пространстве в  современном скафандре за 100 часов с вероятностью 10% получит опасную для здоровья и жизни дозу радиации. Пороговый уровень поглощенной дозы ионизирующего излучения был определен в 0,1 Грэй (10 рад). При дозе в 0,1 Грэй возможны внутренние кровоизлияния, растет риск развития злокачественных новообразований.

s7535085[1]

Поглощенная доз радиации от массовой защиты полимера (представляющая защиту текущих скафандров) для рентгеновской вспышки 1031 эрг в зависимости от спектрального индекса. Доза радиации чувствительная к массовой защите и спектральному индексу вспышки. Для снижения дозы рентгеновского излучения до уровня ниже наших приняты максимально допустимые острой дозы 0,1 Гр массовая толщина полимера должна быть выше 2 г/ см2.

В работе сравнивается эффективность защиты из трансэквивалентного вещества и алюминия.

s6047173[1]

Поглощенная доз радиации от массовой защиты алюминия (представляющая текущее исследование для защиты скафандров) для рентгеновской вспышки 1031 эрг в зависимости от спектрального индекса. Алюминий имеет более высокий атомный номер, чем углерод в полимерах (13 против 6) и поглощает рентгеновские лучи гораздо более эффективно. Для 2 г/ см2 из алюминия доза радиации уменьшается ниже 0,05 Гр

Исследования показывают, что предпочтение имеет защита из алюминия, чем из полимеров.

В работе сделано заключение, что современные средств защиты от рентгеновского излучения представляет собой новую серьезную проблему – для ее существенного снижения в расчете на одного астронавта необходим, по расчетам ученых, алюминиевый «зонтик» площадью 2-3 квадратных метра и массой 14-21 кг.

Данная работа проводилась, как часть исследований NASA по астробиологии по программе Экзобиология, гранты NNG04GK43G 2007 г.

В настоящей работе проведено независимое исследование результатов американских ученых.

Данные рентгеновского излучения Солнца по GOES с 2012 по 2013 год

На рисунке ниже приведены потоки рентгеновского излучения от Солнца за 2012 и 2013 года.

s1062744[1]

Изменения интенсивности рентгеновского излучения и дозы радиации рад/сек с 2012 по 2013 год. Нелинейная шкала слева – уровни потока рентгеновского излучения от Солнца по данным спутника GOES, нелинейная шкала справа – доза радиации в единицах рад в секунду человека в скафандре с эффективной защитой 0,25 г/см2 тканеэквивалентного вещества.

На рисунке приведены данные для точек через каждые 5 минут с сентября 2012 года по март 2013 года для рентгеновского излучения с длиной волны 1,0-8,0 А и 0,5-4,0 А. Средняя интенсивность составляет ~ 10-6 Ватт/м2 и 3·10-9 Ватт/м2, соответственно. Как и в случае пиков протонного и электронного излучения, рентгеновское излучение имеет пики за сутки, неделю, месяц. Резкое увеличение жесткого рентгеновского излучения продолжается 35-40 минут, пики мягкого рентгеновского излучения продолжаются 60-120 минут, затем они спадают.

За сутки средняя интенсивность мягкого рентгеновского излучения за 2012-2013 год составляет ~ 86 мВатт/м2сутки.

Это высокое радиационное излучение. Опасность данного излучения справедлива для орбитальных станций, околоземного и окололунного пространства.

Данные рентгеновского излучения Солнца по GOES за 30 лет

На рисунке ниже приведены потоки мягкого рентгеновского излучения от Солнца с 1983 по 2013 года по данным GOES.

s8343612[1]

Изменение интенсивности мягкого рентгеновского излучения и дозы радиации рад/сут с 1983 по 2013 год. Нелинейная шкала слева – уровни потока рентгеновского излучения от Солнца по данным спутника GOES, нелинейная шкала справа – доза радиации в единицах рад в сутки человека в скафандре с эффективной защитой 0,25 г/см2 тканеэквивалентного вещества. Горизонтальные линии отмечают уровни для сравнения: жёлтая – доза при единичной рентгенографии грудной клетки, оранжевая – доза при томографии позвонков, алая – порог радиационных заболеваний, красная – смертельная доза для человека.

Можно отметить, что в год максимума солнечной активности интенсивность мягкого рентгеновского излучения варьируется между 0,04 и 0,86 Ватт/м2сутки при среднем фоне ~0,150 Ватт/м2сутки.

В год минимума солнечной активности средний фон рентгеновского излучения уменьшается почти в 100 раз и составляет ~2 мВатт/м2сутки. При этом увеличивается вариация рентгеновского потока от 0,4 (порог чувствительности приборов) до 400 мВатт/м2сутки.

Дозы радиации от рентгеновского излучения в окололунном пространстве

Зная интенсивность рентгеновского излучения и длину волны, мы можем провести расчет дозы радиации, которые получает экипаж, в зависимости от защитных экранов, корпуса лунного модуля или скафандра.

Интенсивность рентгеновского излучения Io, проходя через слой материала толщиной х и плотностью ρ, ослабевает по экспоненциальному закону

I = Io exp[-μ(x/ρ)], 

где μ –  массовый коэффициент ослабления рентгеновского излучения см2/г, х/ρ – массовая толщина зашиты г/см2. Если рассматривают несколько слоев, тогда под экспонентой находятся несколько слагаемых со знаком минус.

Мощность поглощенной доза радиации от рентгеновского излучения за единицу времени N определяется интенсивностью излучения I и массовым коэффициентом поглощения   μEN

N =  μEN I

Для расчетов массовые коэффициенты ослабления и поглощения для разных значений энергии рентгеновского излучения взяты согласно NIST X-Ray Mass Attenuation Coefficients.

В таблице 1 приведены используемые параметры и результаты расчетов для поглощенной и эквивалентной дозы радиации от защиты.

Таблица 1.   Характеристика рентгеновского излучения, коэффициенты ослабления в Al и поглощения в организме, толщина защиты, результат расчета поглощенной и эквивалентной дозы радиации за сутки*

Рентгеновское излучение от Солнца

Коэф. ослаб. и поглощ.

Поглощенная и эквивалентная доза радиации от внешней защиты, рад/сут (мЗв/сут)

длина
волны,
А
E, кэВ сред. поток, Ватт/м2 Al, см2 орг.
кость,
см2
1,5 г/ см2(LM-5) 0,35 г/ см2(скаф. Кречет) 0,25 г/ см2(скаф. XA-25) 0,15 г/ см2  (скаф. XA-15) 0,25 г/ см2(скаф. XO-25) 0,21 г/ см2(скаф. ОрланМ) 0,17 г/ см2(скаф. A7L)
1,2560 10,0 1,0·10-6 26,2 28,5 0,0000 0,0006 0,0083 0,1114 1,0892 1,2862 1,5190
0,6280 20,0 3,0·10-9 3,44 4,00 0,0001 0,0038 0,0054 0,0075 0,0061 0,0063 0,0065
0,4189 30,0 1,0·10-9 1,13 1,33 0,0003 0,0010 0,0010 0,0012 0,0009 0,0009 0,0009

Итого рад/сут:

Итого мЗв/сут:

0,0000,004 0,0050,054 0,0150,147 0,1201,202 1,096110,961 1,293412,934 1,526315,263

*Примечание – толщина защиты LM-5 и скафандров “Кречет”, “ХА-25” и “ХА-15” в алюминиевом эквиваленте, что соответствует 5,6, 1,3, 0,9 и 0,6 мм листового алюминия; толщина защиты “ХО-25”, “Орлан-М” и A7L тканеэквивалентного вещества, что соответствует 2,3, 1,9 и 1,5 мм тканеэквивалента.

Данную таблицу используют для оценки дозы радиации за сутки для других значений интенсивности рентгеновского излучения, умножая на коэффициент отношения между табличным значением потока и искомым усредненным за сутки. Результаты расчетов приведена на рис. 3 и 4 в виде шкалы поглощенной дозы радиации.

Расчет показывает, что лунный модуль с защитой 1,5 г/см2 (или 5,6 мм Al) полностью поглощает мягкое и жесткое рентгеновское излучение Солнца. Для  самой мощной вспышке от 4 ноября 2003 года (по состоянию на 2013 год и регистрируемых с 1976 года) интенсивность ее рентгеновского излучения в пике составляла 28·10−4 Вт/м2 для мягкого излучения и 4·10−4 Вт/м2 для жесткого излучения. За сутки усредненная интенсивность составит, соответственно, 10 Вт/м2сут и 1,3 Вт/м2. Доза радиации для экипажа за сутки равна 8 рад или 0,08 Гр, что безопасно для человека.

Вероятность подобных событий, как 4 ноября 2003 года, определяется как 30 минут за 37 лет. Или равна ~1/650000 час−1.  Это очень низкая вероятность. Для сравнения – среднестатистический человек проводит вне дома за всю свою жизнь ~300000 часов, что соответствует возможности быть очевидцем ренгеновского события от 4 ноября 2003 года с вероятностью 1/2.

Для определения радиационных  требований к скафандру мы рассматриваем рентгеновские вспышки на Солнце, когда их интенсивность увеличивается в 50 раз для мягкого излучения и 1000 раз для жесткого излучения по отношению к среднему суточному фону максимальной активности Солнца. Согласно рис. 4, вероятность таких событий – 3 вспышки за 30 лет. Интенсивность для мягкого рентгеновского излучения будет равна 4,3 Ватт/м2сутки и для жесткого – 0,26 Вт/м2.

Радиационные требования и параметры лунного скафандра

В скафандре на поверхности Луны эквивалентные дозы радиации от рентгеновского излучения увеличиваются.

При использовании скафандра “Кречет” для табличных значений интенсивности излучения доза радиации составит 5 мрад/сут. Защиту от рентгеновского излучения обеспечивает 1,2-1,3 мм листового алюминия, уменьшая интенсивность излучения в ~e9=7600 раз. При использовании меньшей толщины листового алюминия дозы радиации увеличиваются: для 0,9 мм Al – 15 мрад/сути, для 0,6 мм Al – 120 мрад/сути.

Согласно МАГАТЭ, такой радиационный фон признан нормальным условием для человека.

При увеличении мощности излучения от Солнца до значения 0,86 Ватт/м2сутки доза радиации для защиты 0,6 мм Al равна 1,2 рад/сути, что находится на границе нормальных и опасных условий для здоровья человека.

Скафандр Кречет

Лунный скафандр “Кречет”. Вид на открытый ранцевый люк, через который космонавт входит в скафандр. В рамках советской лунной программы понадобилось создать скафандр, позволяющий достаточно длительное время работать непосредственно на Луне. Он имел название «Кречет» и стал прообразом скафандров «Орлан», которые используются сегодня на МКС для работы в открытом космосе. Вес 106 кг.

Доза радиации увеличивается на порядок при использовании защиты  тканеэквивалентного вещества (полимеры, как майлар, капрон, фетр, стекловолокно). Так для скафандра “Орлан-М” при защите 0,21 г/смтканеэквивалентного вещества интенсивность излучения уменьшается в ~e3=19 раз и доза радиации от рентгеновского излучения для костной ткани организма составит 1,29 рад/сути. Для защиты 0,25 г/см2 и 0,17 г/см2, соответственно, 1,01 и 1,53 рад/сути.

s3908709[1]

Экипаж Аполлон-16 Джон Янг (командир), Томас Маттингли (пилот командного модуля) и Чарльз Дьюк (пилот лунного модуля) в скафандре A7LB. Самостоятельно одеть такой скафандр сложно.

Астронавт Юджин Сернан в скафандре A7LB, миссия Аполлона-17. Луна

Юджин Сернан в скафандре A7LB, миссия Аполлона-17.

Скафандр

A7L — основной тип скафандра использовавшийся астронавтами НАСА в программе Аполлон до 1975 года.Вид с разрезом верхней одежды. Верхняя одежда включала: 1) огнеупорная ткань из стекловолокна весом 2 кг, 2) экранно-вакуумная тепловая изоляция (ЭВТИ) для защиты человека от перегрева при нахождении на Солнце и от чрезмерной потери тепла на неосвещенной поверхности Луны, представляет собой пакет из 7 слоев тонкой пленки майлара и капрона с блестящей алюминированной поверхностью, между слоями проложена тончайшая вуаль волокон дакрона, вес составлял 0,5 кг; 3) противометеорный слой из нейлона с неопреновым покрытием (толщиной 3–5 мм) и весом 2–3 кг. Внутренняя оболочка скафандра изготавливалась из прочной ткани, пластика, прорезиненной ткани и резины. Масса внутренней оболочки ~20 кг. В комплект входили шлем, рукавицы, боты и СОЖ. Масса комплекта скафандра A7L для внекорабельной деятельности 34,5 кг

При увеличении интенсивности излучения от Солнца до значения 0,86 Ватт/м2сутки доза радиации для защиты 0,25 г/см2, 0,21 г/см2 и 0,17 г/см2 тканеэквивалентного вещества, соответственно, равна 10,9, 12,9 и 15,3 рад/сути. Такая доза равноценна 500-700 процедурам рентгенографии грудной клетки человека.Однократная доза 10-15 рад влияет на нервную систему и психику, на 5% повышается риск заболевания лейкозом крови, наблюдают умственную отсталость у потомков родителей. По МАГАТЭ такой радиационный фон представляет очень серьезную опасность для человека.

При интенсивности рентгеновского излучения 4,3 Ватт/м2сутки дозы радиации за сутки имеет значение 50-75 рад и вызывает радиационные заболевания.

Космонавт Михаил Тюрин в скафандре Орлан-М

Космонавт Михаил Тюрин в скафандре Орлан-М. Скафандр использовался на станции МИР и МКС с 1997 по 2009. Вес 112 кг. В настоящее время на МКС используется Орлан-МК (модернизированный, компьютеризированный). Вес 120 кг.

Самый простой выход – это снижение времени пребывания космонавта под прямыми лучами Солнца до 1 часа. Поглощенная доза радиации в скафандре Орлан-М уменьшится до 0,5 рад. Другой подход – работа в тени космической станции, в этом случае длительность внекорабельной деятельности можно значительно увеличить, несмотря на высокое внешнее рентгеновское излучение. В случае пребывания на поверхности Луны далеко за пределами лунной базы быстрое возвращение и укрытие не всегда возможно. Можно воспользоваться тенью лунного ландшафта или зонтиком от ренгеновских лучей…

Простым  эффективным способом защиты от рентгеновского излучения Солнца является использование листового алюминия в скафандре. При 0,9 мм Al (толщина 0,25 г/см2 в алюминиевом эквиваленте) скафандр имеет 67-кратный запас от среднего рентгеновского фона. При 10 кратном увеличении фона до 0,86 Ватт/м2сутки доза радиации равна 0,15 рад/сути. Даже при внезапном 50-кратном увеличении рентгеновского потока от среднего фона до значения 4,3 Ватт/м2сутки поглощенная доза радиации за сутки не превысит 0,75 рад.

При 0,7 мм Al (толщина 0,20 г/см2 в алюминиевом эквиваленте) защита сохраняет 35-кратный радиационный запас. При 0,86 Ватт/м2сутки доза радиации составит не более 0,38 рад/сути. При 4,3 Ватт/м2сутки поглощенная доза радиации не превысит  1,89 рад.

Как показывают расчеты, для обеспечения радиационной защиты, как 0,25 г/см2 в алюминиевом эквиваленте, требуется тканеэквивалент в 1,4 г/см2. При таком значении массовой защиты скафандра возрастет его толщина в несколько раз и понижает его юзабилити.

ИТОГИ И ВЫВОДЫ

В случае протонного излучения тканеэквивалентная защита имеет преимущество перед алюминием на 20-30%.

При рентгеновском излучении предпочтение имеет защита скафандра в алюминиевом эквиваленте, чем из полимеров. Данный вывод совпадает с результатами исследований Дэвида Смита (David Smith) и Джона Скало.

Лунные скафандры должны иметь два параметра защиты:

1) параметр защиты скафандра тканеэквивалентного вещества от протонного излучения, не ниже 0,21 г/см2;
2) параметр защиты скафандра в алюминиевом эквиваленте от рентгеновского излучения, не ниже 0,20 г/см2.

При использовании во внешней оболочке скафандра с площадью 2,5-3 м2 защиты Al масса скафандра на базе Орлан-МК увеличится на 5-6 кг.

Для лунного скафандра суммарная поглощенная доза радиации от солнечного ветра и рентгеновских лучей Солнца в год максимума солнечной активности составит 0,19 рад/сут (эквивалентная доза радиации – 8,22 мЗв/сут). Такой скафандр имеет 4-кратный запас радиационной прочности для солнечного ветра и 35-кратный запас радиационной прочности для рентгеновского излучения. Никакие дополнительные меры защиты, как радиационные алюминиевые зонтики, не нужны.

Для скафандра Орлан-М, соответственно, 1,45 рад/сут (эквивалентная доза радиации – 20,77 мЗв/сут). Скафандр имеет 4-кратный запас радиационной прочности для солнечного ветра.

Для скафандра A7L (A7LB) миссии Аполлон, соответственно, 1,70 рад/сут (эквивалентная доза радиации – 23,82 мЗв/сут). Скафандр имеет 3-кратный запас радиационной прочности для солнечного ветра.

При непрерывном пребывание в течении 4 суток на поверхности Луны в современных скафандрах Орлан или типа A7L человек набирает дозу радиации 0,06-0,07 Гр, что представляет опасность для его здоровья. Это соответствует выводам Дэвида Смита и Джона Скало, что в окололунном космическом пространстве в  современном скафандре за 100 часов с вероятностью 10% человек получит опасную для здоровья и жизни дозу радиации выше 0,1 Грэй. Для скафандров Орлан или типа A7L необходимы дополнительные меры защиты от рентгеновского излучения, как радиационные алюминиевые зонтики.

Предлагаемый лунный скафандр на базе Орлан за 4 суток набирает дозу радиации 0,76 рад или 0,0076 Гр. (Один час пребывания на поверхности луны в скафандре под солнечным ветром соответствует двум процедурам рентгенографии грудной клетки). Согласно МАГАТЭ радиационный риск признан нормальным условием для человека.

Скафандр НАСА

NASA проводит испытания нового скафандра для готовящегося в 2020 году полета человека на Луну.

Кроме радиационного риска от солнечного ветра и рентгеновского излучения Солнца идет поток галактических космических лучей. Об этом далее.


Источник

3 Comments

  1. Nick Lutsevich:

    Вывод: на Луне пока человека не было

    10
    36
    1. ALL:

      как же не было когда тут четко написано: опасная доза если в скафандре гулять 4 дня.

      26
      3
  2. И на ракете на Луну лететь бесперспективно. Нужно включать уже готовые “летающие тарелки”: http://nanoworld.org.ru/topic/1707/

    2
    1

Добавить комментарий