Человек на Луне! Дозы радиации при полете на Луну

При освоении Луны важное значение имеет определение доз радиации, которые получает человек в окололунном пространстве, способы защиты от солнечной радиации и периоды окон для полета к Луне.

На околоземной орбите космонавты находятся под защитой магнитосферы Земли, которая запутывает внешние заряженные частицы в магнитном поле и отводит на полюса Земли. В результате стока частиц жители приполярных регионов Земли наблюдают авроральное (северное) сияние. В окололунном пространстве или на поверхности Луны весь поток солнечного ветра принимает корпус космического аппарата или лунного модуля.

Потоки протонов значительно возрастают во время солнечно-протонных событий. Высокоэнергетическая часть протонов прошивает корпус, как световые кванты обычное стекло, и вызывает повышенную радиацию внутри жилого отсека. Плотность потока электронов в солнечном ветре меняется на два-три порядка порой в течении одной только недели. При столкновении с обшивкой корабля или лунного модуля электроны останавливаются и рождают жесткое рентгеновское излучение, которое имеет огромную проникающую способность (толщина защиты 2,73 см алюминия уменьшит дозы радиации только в два раза).


В настоящей работе рассмотрены данные солнечно-протононых событий, потоков солнечного ветра за 17 лет и рентгеновского излучения спутников GOES - ACE, определяются основные факторы радиационного риска в окололунном пространстве, радиационные требования к лунному скафандру и окна для безопасных пилотируемых полетов к Луне.


СОДЕРЖАНИЕ

• Данные спутника GOES за 30 лет
  
• Список протонных солнечных событий с 1996 по 2013 год
• Дозы радиации от солнечных протонных событий для разных значений защиты модуля в окололунном пространстве
• Радиационные требования к лунным поселениям
• Данные спутника ACE с 1996 по 2013 год
• Дозы радиации от солнечного ветра для разных значений защиты модуля в окололунном пространстве
• Американские ученые о радиационном риске рентгеновского излучения от Солнца
• Данные рентгеновского излучения Солнца по GOES с 2012 по 2013 год
• Данные рентгеновского излучения Солнца по GOES за 30 лет
• Дозы радиации от рентгеновского излучения в окололунном пространстве
• Радиационные требования к лунному скафандру
• Галактические космические лучи
• Окна для безопасного освоения Луны

---

Данные спутника GOES за 30 лет

Спутники GOES выводятся на геостационарную орбиту (35 тыс. км или ~5,6 RE) с космодрома на мысе Канаверал (США) с 1975 года по настоящее время для обеспечения прогнозирования погоды, отслеживания метеорологических исследований и данных об окружающей околоземной среде.

На рис. 1 представлены данные GOES для 100 Мэв протонов за 17 лет [1].

Рис. 1 показывает, что наряду со средним фоном протонов около 4·103 (частиц/см2сутки1ср1) существуют пики флюенса протонов, когда их плотность потока увеличивается на несколько порядков. Это солнечно-протонные события или корональные выбросы протонов (электронов) с Солнца в направлении Земли. Излучение имеет высокую опасность для человека.


На рис. 2 приведены данные за тридцать лет для протонов с энергией 10 МэВ, 50 МэВ и 100 МэВ [2].


Список протонных солнечных событий с 1996 по 2013 год

YYYY MM DD

Proton/cm2day1ster1

1997 11 06 1997 11 07 1998 04 21 1998 05 02 1998 08 25 1998 11 14 2000 07 14 2000 07 15 2000 11 09 2000 11 10 2001 04 03 2001 04 15 2001 04 16 2001 04 18 2001 08 16 2001 09 24 2001 09 25 2001 09 26 2001 11 04 2001 11 05 2001 11 06 2001 11 23 2001 11 24 2001 12 26 2002 04 21 2002 04 22 2002 08 24 2003 10 28 2003 10 29 2003 10 30 2003 11 02 2003 11 03 2005 01 17 2005 01 18 2005 01 20 2005 01 21 2005 09 08 2005 09 09 2005 09 10 2006 12 07 2006 12 08 2006 12 13 2011 06 07 2012 01 27 2012 01 28 2012 03 07 2012 03 08 2012 03 09 2012 03 10 2012 05 17

1,40E+06 6,30E+05 2,70E+05 1,50E+05 1,30E+05 1,40E+05 1,10E+07 4,70E+06 1,30E+07 4,20E+05 2,10E+05 2,20E+06 3,20E+05 4,30E+05 6,00E+05 2,90E+05 1,80E+06 2,60E+05 1,10E+06 3,60E+06 3,30E+06 2,00E+05 1,60E+05 6,20E+05 1,20E+06 2,90E+05 4,00E+05 5,20E+06 4,20E+06 2,60E+06 5,00E+05 2,20E+05 6,70E+05 3,80E+05 6,10E+06 3,50E+05 2,60E+05 5,00E+05 4,30E+05 9,80E+05 3,10E+05 1,80E+06 1,50E+05 1,60E+05 2,80E+05 2,20E+06 2,50E+06 5,90E+05 1,10E+05 3,20E+05

Высокая плотность корональных выбросов протонов в определенный период связана с периодичностью солнечной активности. 2000-2003 года соответствуют пику 22-летнего периода солнечной активности, 2011-2013 года - максимуму 11-летнего периода солнечной активности.

---

Дозы радиации от солнечных протонных событий для разных значений защиты модуля в окололунном пространстве

Для расчета дозы радиации от глубины органов человека и защиты лунного модуля воспользуемся формулой поглощенной и эквивалентной дозы радиации [3], которая для одного вида излучения за единицу времени упростится:


где n - плотность потока излучения (частиц/м2с1); E - энергия частиц излучения (Дж); L_z - толщина защиты (г/см2); L_zr - длина пробега частицы с энергией E_r в защищающем материале z (г/см2); L_p - глубина внутренних органов человека (г/см2); L_pr - длина пробега частицы с энергией E в биологической ткани (г/см2), w=5 - коэффициент качества излучения. Данная формула даёт нижний предел дозы радиации с точностью не ниже 50%.
Множитель 0,033 перед знаком суммирования имеет размерность м2/кг и представляет собой обратное значение средней эффективной толщины биологической защиты человека в окололунном пространстве. Грубо, данный множитель равен площади поверхности биологического объекта, деленная на его массу (2 м2 / 60 кг).
Длины пробегов частицы (г/см2) с энергией E в защищающем и орг. материале берут из ГОСТ РД 50-25645.206-84.

Эквивалентная доза радиации линейно зависит от плотности потока протонов. Для 107 частиц/см2сутки1ср1 и энергии протонов 100 Мэв


На рис. 1 справа отмечена ось эквивалентной дозы радиации для экипажа при толщине защиты космического аппарата 7,5 г/см2. В целом, мы получаем примерно одно мощное протонное солнечное событие за год во время максимума солнечной активности, которое опасно для жизни человека. И имеем одно событие в месяц, которые вызывают радиационные заболевания человека. За 22-летний период солнечной активности опасный период составляет 60 суток или 1/134 часть. Защитой от радиационного ливня является укрытие толщиной не менее 40 г/см2, что соответствует толщине лунного реголита около 0,5 метров.
Очевидно, годы минимума солнечной активности являются наиболее безопасными для полетов человека к Луне.

---

Радиационные требования к лунным поселениям и радиационный риск


В таблице 2 приведены поглощенные и эквивалентные дозы радиации для разных значений защиты модуля на поверхности Луны или космического аппарата в окололунном пространстве.

Защита лунного модуля, г/см2 (эквивалент)	Поглощенная (мГр) и эквивалентная (мЗв) доза радиации
	кожа	органы на глубине 1 см	органы на глубине 10 см	примечание
0,25 (скафандр)	654 / 3268	573 / 2867	177 / 883	Радиационные заболевания почти у всех людей, ~20% с летальным исходом. 100% ожог кожи. У оставшихся в живых катаракта и постоянная стерильность семенника.
1,5 (лунный модуль Apollo)	577 / 2885	506 / 2530	156 / 779	Радиационные заболевания у ~50% облучённых людей. Рак кожи и легких.
7,5 (командный модуль Apollo)	316 / 1580	277 / 1386	85 / 427	Радиационные заболевания у ~25% облучённых людей. Увеличение в 10 раз риска лейкоза и смертность от рака.
15 (орбитальная станция "МКС")	149 / 745	131 / 654	40/ 201	Радиационные заболевания из 5-10% облучённых людей. Рвота, временные угнетение кроветворения и олигоспермия, изменения в щитовидной железе. Смертность до 17 лет у потомков родителей.
20 (около 0,2 м реголита)	90 / 451	79 / 396	24 / 122	Очень серьезная опасность для человека по МАГАТЭ. Умеренные изменения в крови. Умственная отсталость у потомков родителей.
40 (толщина топлива в баках КА; около 0,5 м реголита)	12,1 / 60,8	10,7 / 53,34	3,3 / 16,43	Большая опасность для человека по МАГАТЭ. Влияние на нервную систему и психику. На 5% повышение риска заболевания лейкозом крови.
60 (толщина топлива в баках КА; около 0,7 м реголита)	1,64 / 8,19	1,44 / 7,18	0,44 / 2,21	Нормальная ситуация для человека по МАГАТЭ.
80 (около 1 м реголита)	0,22 / 1,10	0,194 / 0,97	0,06 / 0,30
100 (около 1,2 м реголита)	0,03 / 0,15	0,026 / 0,13	0,008 / 0,04	Низкая опасность для человека по МАГАТЭ или естественный природный фон. 0,2 мЗв соответствует единичной рентгенографии грудной клетки человека.

*Прим. - Данная таблица составлена для флюенса 107 частиц/см2сутки1ср1. Для других значений протонных солнечных событий умножают на значение флюенса потока протонов относительно 107 частиц/см2сутки1ср1. Для 9 ноября 2001 года умножают на 1,3. Для 10 ноября 2001 года умножают на 0,42. Для 8 марта 2012 года умножают на 0,25.

Указанные значения дозы радиации близкие к данным НАСА [4]. Для толщины защиты 20 г/см2, настоящий расчет для поглощенной дозы кожи составляет 90,3 мГр, по расчетам НАСА доза радиации для кожи - 87,8 мГр. Отличие составляет меньше 3%. Такое совпадение объясняется тем, что при данной толщине защиты в спектре потока протонов основной вклад вносят 100 Мэв протоны. Большое разногласие настоящего расчета от расчета НАСА заключается в эквивалентной дозе радиации, соответственно,  451 и 144 мЗв, и связано с разной оценкой опасности (качества) излучения. В настоящем расчете принимается w=5, по НАСА  w=1,6. Важно отметить, что после прохождения 20  г/см2, например, в алюминии, поток протонов упадет в несколько раз, энергия потока протонов снизится с 100 Мэв до среднего квадратичного 10 Мэв и облучает экипаж. Для 10 Мэв коэффициент качества экспериментально определен, как 5-10 [3]. Столь низкий коэффициент качества по НАСА противоречит экспериментальным данным. В том же отчете НАСА [4] коэффициент качества излучения галактических космических лучей с энергией 100-500 Mэв для экипажей орбитальных станций принимает значение 3,1-5,2.

При меньшем значении толщины защиты значение доз радиации настоящих расчетов занижено по отношению к расчетами НАСА, что связано с необходимостью учета спектра  потоков протонов - 80, 60, 40, 10 Мэв, особенно, для скафандра (дозы увеличивают в 1,5-2 раза от указанных в таблице).




В научном архиве солнечно-протонных событий отмечены события 4 августа 1972 года и 12 ноября 1960 года, которые близкие к протонному солнечному событию 9 ноября 2001 года [5]. Спорным является событие 23 февраля 1956 года, которое было на на порядок выше протонного солнечного события 9 ноября 2001 года.
Если его принять, как действительное, тогда эквивалентную дозу радиации умножают на ~10, соответственно. Для экипажа командного модуля Аполлонов дозы радиации составят более 15,8 Зв.

При таких потоках радиационного излучения без ущерба для здоровья человека и его потомков защищает 80 г/см² или эквивалент толщиной 1 м реголита.


Благодаря спутнику ACE протонные солнечные события можно предупредить за 50 секунд. За это время лунные поселенцы могут спуститься с приповерхностных регионов в подлунные помещения и укрыться от повышенной дозы радиации, а космические аппараты в окололунном пространстве способны развернуть корабль кормой с топливными баками к приближающемуся фронту высокоэнергетичных протонов.


Литература и ссылки:

1. Daily Particle Data, GOES Proton Fluence, DPD.txt
2. Space Weather Events. sxi.ngdc.noaa.gov/sxi_greatest.html
3. Формула расчета эквивалентной дозы радиации и её тестирование. 2010.
4. Space Radiation Cancer Risk Projections and Uncertainties – 2010. NASA/TP-2011-216155.
5. Солнечные протонные события на фазе спада протонного цикла солнечной активности. Переяслова Н.К., Назарова М.Н.. Институт прикладной геофизики имени академика Е.К.Федорова Росгидромета. Москва. УДК 523.165.