Защита астронавтов от радиации при полетах на Луну и Марс

© Александр Матанцев, 2023

ISBN 978-5-0059-9639-8

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Надписи на обложке и сокращения

Верхний рисунок. Новое предложение автора, Александра Матанцева. Защита от космической радиации в виде радиационного убежища РУ, содержащего слоистую защиту и коаксиальный слой атмосферного воздуха под давлением.

Нижний рисунок. Предложение автора, Александра Матанцева. Радиационное убежище РУ на луноходе, или марсоходе, содержащее слоистую защитную кабинку со специальными запатентованными стеклами, защищающими от космической радиации.

График. Зависимость эквивалентной дозы облучения на Марсе от времени полета в одну сторону. Показано, что при толщине защиты космического аппарата КА в 20 г/см², время безопасного полета составит в одну сторону 6,2 месяца. При толщине защиты в 50 г/см² возможен безопасный полет к Марсу туда и обратно. В случае применения запатентованной слоистой защиты, чередующей слои с тяжелым и легким наполнением в специальном материале, возможно уменьшить общую толщину защиты КА вдвое, до 25 г/см², или, примерно, до 12,5 см.

По тексту будут использованы следующие сокращения.

КА – космический аппарат.

РУ – радиационное убежище.

РПЗ – радиационный пояс Земли, включающий три составляющие – внешний и внутренний пояса Ван Аллена и еще третий промежуточный пояс.

СКЛ – солнечные космические лучи.

ГКЛ – галактические космические лучи. Это космическое излучение, которое есть всегда, это естественный радиационный фон в космосе. Порождаются они взрывами сверхновых звёзд и состоят на 90% из протонов или ядер гелия с очень высокими энергиями. Если вокруг не начнут резко взрываться сверхновые звёзды, то можно считать, интенсивность такого излучения постоянна и не меняется.

КМ – космический модуль.

ПКА – пилотируемый космический аппарат.

АМС – автоматическая межпланетная станция;

МКС – Международная космическая станция, или пилотируемая орбитальная станция, используемая как многоцелевой космический исследовательский комплекс.

ПДД – предельно допустимая доза.

Введение

Одни из самых обсуждаемых тем в мире: можно ли добраться живыми до Марса и летали ли астронавты на Луну.

Автор в своей книге «Как пытаются поссорить Россию и Китай фальшивыми пророчествами» [3] показал, что американцы – мастера фейков и они оплачивают работу специальных организаций, которые придумывают предсказаниям мнимых прорицателей о том, что Китай нападет на Россию. Американские власти всячески пытаются ограничить и остановить рост России и поссорить с Китаем.

Огромное количество фейков американцы придумали по поводу полетов на Луну. Автор в другой своей книге «Разоблачение фейков о полетах американцев на Луну» [1] развеял мифы о посадке на Луну астронавтов и дал исчерпывающие выводы.

По всем показателям: отсутствию проработанного мощного двигателя, по высказыванию именитых ученых и космонавтов, по признакам съемок в павильонах, по отсутствию звезд и наличию только серого фона на Луне, по кувырканию в невесомости, которой не было постоянно; по неправильным прыжкам и походке на поверхности Луны, где вес уменьшается в 6 раз, по отсутствию надлежащего скафандра, по отсутствию надлежащей защиты корпуса КА от излучений; по отсутствию учета влияния солнечных вспышек в зоне, где нет магнитного поля и нет защиты от ионизирующего излучения, по фэйкам лунного грунта, по отсутствию расчетов воздействия смертельных излучений от солнечных вспышек в зоне отсутствия защитного магнитного поля, по отсутствию в американских лунных образцах неокисляемого железа, по исследованиям советскими «Зондами» солнечных вспышек, по исследованиям и расчетам, сделанными автором, Александром Матанцевым, с учетом влияния смертельных доз от солнечных вспышек классов М и С, которых много

– по всему этому однозначно следует, что американцы никогда не высаживались и не ходили на поверхности Луны!! Единственно, что можно допустить, это облет Земли по постоянной орбите.

Автор в своей книге «Приоритет отечественной науки по влиянию солнечных вспышек в полетах на Луну и Марс» [2] показал наш, отечественный приоритет по исследованиям солнечных вспышек и радиационных зон космическими аппаратами (КА) типа «Космос», «Зонд», «Прогресс», «Протон» и др. Показаны способы выявления солнечных вспышек разных классов Х, М и С и влияние в полетах к Луне и Марсу. Сделаны расчеты при разной толщине защиты. Вычислена доза облучений на разных участках полета к Луне и Марсу, показано, что она смертельна при наличии солнечных вспышек. Можно выжить, создавая радиационные убежища на КА или магнитный кокон.

Сейчас в СМИ обсуждается вопрос о полетах американцев на Марс, которые спонсирует миллиардер Илон Маск. В январе 2021 года Маск заявил о намерении демонстрации серьёзности своих намерений по строительству автономного города на Марсе.

Однако исследователи космоса и космической радиации не столь оптимистичны в описаниях полетов на Марс. Большинство ученых сходится во мнении, что такие полеты в современных условиях смертельны даже в одну сторону.

Автор, Александр Матанцев, поставил перед собой цель анализа многочисленных источников информации, и проведение собственного моделирования и расчетов для определения всех составляющих, влияющих при полетах на Луну и Марс:

– влияние радиационных зон Ван Аллена;

– влияние угла влета в радиационные зоны;

– выбор траектории движения к Луне и Марсу;

– влияние толщины скафандра;

– влияние толщины корпуса космического аппарата КА;

– создание радиационных убежищ РУ;

– влияние времени полета, возможности уменьшения времени полета и перехода на ядерные двигатели;

– возможная защита магнитным полем;

– возможная защита электростатическим полем;

– преимущества создания слоистых материалов;

– возможности специальных материалов и пленок для защиты от космического излучения;

– создание передвижных РУ на луноходе и марсоходе.

При этом проведено изучение влияние радиационных зон Ван Аллена (РПЗ). Радиационный пояс в первом приближении представляет собой тор, в котором выделяются две основные области:

– внутренний радиационный пояс на высоте ≈ 4000 км, состоящий преимущественно из протонов с энергией в десятки МэВ;

– внешний радиационный пояс на высоте ≈ 17 000 км, состоящий преимущественно из электронов с энергией в десятки кэВ. Таким образом, КА может пролетать внутренний РПЗ за 803 сек, т.е. приблизительно за 13 минут и внешний РПЗ за 3571 сек, т.е. приблизительно за 1 час.

Автору пришлось провести самостоятельное моделирование. В результате показано, что время пролета зон Ван Аллена можно сократить в зависимости от угла подлета.

После преодоления зон Ван Аллена при полете к Луне и Марсу проявляются другие зоны, совершенно свободные для проникновения солнечного ветра и для влияния всех видов космических излучений. Эти зоны очень опасны. Поэтому необходимо было найти готовые решения наших передовых институтов: ИКИ РАН, Корпорация ВНИИЭМ, НИИЯФ МГУ; СО РАН; ИЯИ РАН, Москва. Кроме того, опираясь на опубликованные данные, автор делал расчет по возможности полетов к Луне и Марсу при разных толщинах защиты корпусом КА, стенками РУ и скафандром.

Многие материалы по данной тематике закрыты и начинают рассекречиваться только в последнее время. И тогда мы узнаем, что советской науке принадлежал приоритет в изучении солнечных вспышек и космической радиации. Мы узнаем потрясающие новости о том, что еще в начале 60-х годов наше космическое руководство предупреждало американскую НАСА о невозможности полетов на Луну из-за сильного влияния солнечных вспышек.

Автору пришлось обратить особое внимание на влияние солнечных вспышек. Дело в том, что в литературе описывается влияние отдельных сильных солнечных вспышек класса Х, и совершенно не рассматриваются вспышки классов М и С. Как будто образовалась черная дыра по поводу влияния солнечных вспышек классов М и С. Изучить это влияние необходимо потому, что сильнейшие вспышки класса Х происходят редко, примерно, один раз в 11 лет, а вспышки классов М и С происходят ежедневно. Изучив этот вопрос, автор пришел к выводу о том, что вспышки классов М и С, могут быть смертельными при отсутствии необходимой сильной защиты.

А какой должна быть эта защита?

По тексту будет доказано, что полеты на Луну возможны при толщине защиты в радиационном убежище РУ внутри корпуса космического аппарата КА толщиной не менее 10 г/см². Выход на поверхность Луны в скафандре ограничен возможностями скафандра и временем, при усиленной толщине скафандра типа российского «Кречета», допустимое время составляет полчаса. Большее время на поверхности Луны возможно только в защищенной кабине лунохода толщиной защиты не менее 7,5 г/см². Опасность остается, и она связана со вспышками класса Х, но эти вспышки имеют частоту повторения один раз в 11 лет, и этот период можно предсказать современными методами исследований, тогда полеты на Луну должны быть проведены в промежутках между солнечными вспышками класса Х.

Забегая вперед, констатируем, что автор провел расчеты и показал, при защите 0,324 г/см² в скафандре «Кречет» поглощенная доза составит от 10⁴ до 5х10⁴ Р за год, или 27,4 Р до 137 Р за сутки; в таком скафандре можно работать на поверхности Луны в отсутствии сильных солнечных вспышек за суммарное время не более 3-х часов; если же учесть солнечные вспышки классов М и С, то время нахождения в таком скафандре уменьшается до получаса. Это то самое время, за которое астронавт должен успеть переместиться из космического аппарата в защитную кабину на луноходе.

Существуют три основные особенности полетов на Марс по сравнению с полетами на Луну:

– главное, это огромное время полета, примерно 6 месяцев в одну сторону;

– газовая оболочка Марса состоит, преимущественно, из углекислого газа, она в 200 раз меньше земной, а давление ниже (примерно, как на высоте 35 км);

– на поверхности Марса имеется слабое магнитное поле, в 43 раза меньше, чем на Земле и разряженная атмосфера; хотя они много меньше, чем на Земле, но оказывают свое защитное действие и доза радиации на поверхности Марса меньше, чем на поверхности Луны.

Существуют предвестники сильных солнечных вспышек класса Х, которые в большинстве случаев являются смертельными. Автор, Александр Матанцев попробует сформулировать эти предшествующие событию признаки:

– излучения волн в определенном диапазоне частот;

– увеличение накануне в течение, как минимум 10 дней частоты возникновения солнечных вспышек класса М и С;

– усиление накануне в период нескольких дней магнитного поля.

По тексту будет показано, что самым перспективным новым решением является создание новых слоистых материалов с разными добавками по молекулярному весу в слоях, в результате чего общая толщина всей защиты при полете на Луну или Марс может уменьшится вдвое. По подсчетам автора, Александра Матанцева, если сейчас на существующем уровне развития для безопасного полета на Марс требуется защита корпуса космического аппарата КА или кабинки радиационной защиты РУ толщиной в 50 г/см², то с применением таких новых слоистых запатентованных материалов, толщина защиты может быть снижена вдвое – до 25 г/см², или, примерно, до 12,5 см толщиной, что очень существенно для выбора ракетных двигателей и общего технического решения при полетах на Луну и Марс. На поверхности Луны и Марса астронавт может находиться в скафандре не более получаса, а остальное время он должен находиться в подвижном радиационном убежище в виде, защищенное кабинки на луноходе или марсоходе со специальными стеклами, защищающими от космической радиации.

В книге описываются патенты и новые решения на новые материалы, защищающие от космической радиации. Подробно будет рассмотрен раздел о новых материалах и новых технических решениях защиты. Самым перспективным новым решением является создание новых слоистых материалов с разными добавками по молекулярному весу в слоях, в результате чего общая толщина всей защиты при полете на Луну или Марс может уменьшиться вдвое.

Первый слой, где происходит замедление быстрых нейтронов, состоит из элементов с малой атомной массой: воды, парафина, полиэтилена, бетона, гидридов металлов. Второй слой предназначен для поглощения медленных нейтронов. Он включает в себя такие элементы, как бор, кадмий, гафний, европий. Процесс поглощения сопровождается гамма-излучением. И для его ослабления предусматривается третий слой, состоящий из тяжелых металлов или эквивалентных им материалов. Ученые предложили использовать изотоп бор-10 в качестве составной части защитных материалов на основе высокомолекулярного полиэтилена. Изотоп бор-10 позволяет обеспечить высокоэффективную нейтронную защиту, в сотни раз превосходящую бетон.

В России ведутся и другие перспективные разработки. Так, создается радиационно-защитное покрытие, которое представляет собой многослойную структуру, состоящую из чередующихся слоев с разным эффективным атомным номером. Такая структура не только останавливает налетающие частицы, но и эффективно поглощает образовавшееся в результате их рассеивания тормозное излучение. В составе разработанного в РКС покрытия использовали неорганическую матрицу – связующие слои неорганических веществ, устойчивые к воздействию атомарного кислорода. Применение защитного покрытия расширит номенклатуру компонентной базы для малых космических аппаратов. Обработка составом позволит для повышения радиационной стойкости использовать даже обычные промышленные микросхемы, стоимость которых иногда в разы меньше специальной «космической» электроники. Сейчас радиационно-защитное покрытие проходит испытания. В ходе тестирования, которое специалисты РКС проводили вместе с коллегами из Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» (НИЯУ МИФИ), покрытие, задействованное в качестве дополнительной защиты алюминиевого корпуса, повысило показатель ослабления потока частиц в 4—7 раз. После завершения испытаний радиационно-защитное покрытие планируется использовать в бортовой аппаратуре космического назначения, производящейся в РКС.

Радиационные зоны Ван Аллена

Земля имеет атмосферу – многослойную эфирную оболочку со сложной структурой. Ближе всего к поверхности Земли расположена тропосфера, за нею – тропопауза и стратосфера. Начиная с 30 км до 600 км находится ионосфера со своими слоями, часть из которых активируется ночью, а часть – днем. А после 600 км идет магнитосфера (или экзосфера).

Одной из примечательных особенностей магнитосферы Земли является наличие в ней двух радиационных поясов Ван Аллена (большого и малого), которые простираются от 644 до 64400 км над ее поверхностью. Эти пояса представляют собой щиты из плотного структурного эфира, защищающие Землю от влияния жесткой радиации и солнечного ветра. Пояса захватывают частицы с высокой энергией, приходящие с солнечным ветром, в дальнейшем частицы циркулируют внутри поясов и вдоль силовых линий магнитного поля Земли.

Фактически пояса Ван Аллена были открыты советским учёным Н. Д. Булатовым ещё в 1930-е годы, а их существование было подтверждено учёными ИЗМИРАН по результатам полёта Первого спутника. Однако он не завил об этом всему миру и поэтому официально внутренний радиационный пояс Земли был открыт американским учёным Джеймсом Ван Алленом после полета Эксплорер-1, который заявил об этом сразу в нескольких мировых журналах. Поэтому Ван Аллен, в сущности, присвоил себе то, что было открыто задолго и независимо от него. Но, в настоящее время общепринятым считается название по его имени, поэтому не будем пока от этого отступать [22].

Внешний радиационный пояс Земли был открыт советскими учёными С. Н. Верновым и А. Е. Чудаковым после полёта Спутник-3 в 1958 году. Радиационный пояс в первом приближении представляет собой тор, в котором выделяются две основные области – рис. 1, рис. 2 [27]:

– внутренний радиационный пояс на высоте ≈ 4000 км, состоящий преимущественно из протонов с энергией в десятки МэВ;

– внешний радиационный пояс на высоте ≈ 17 000 км, состоящий преимущественно из электронов с энергией в десятки кэВ.

Кроме того, имеется дополнительная средняя зона. Земля находится внутри магнитосферы, граница которой находится на расстоянии около 70000 км от поверхности Земли.

Граница магнитосферы, внешний и внутренний пояса Ван Аллена, а также ионосфера надёжно защищают Землю от космической радиации. Поэтому в околоземном космическом пространстве очень мягкие радиационные условия.

Рис. 1

Рис. 1. Автор, Александр Матанцев, обозначил красными стрелками расстояние от Земли до внешнего и внутреннего слоев Ван Аллена

Рис. 2

Рис. 2. Внутренний и внешний радиационные пояса Ван Аллена вокруг Земли [50]

Рис. 3

Рис. 3. Зоны Ван Аллена вокруг Земли [14]

Рис. 4

Рис. 4. Радиационные пояса вокруг Земли [13]

Радиационные пояса:

1 – внешний радиационный пояс Земли (Ван Аллена);

2 – внутренний радиационный пояс (Ван Аллена);

3 – магнитные силовые линии;

4 – третий радиационный пояс обнаружен со спутника и образован межгалактическим космическим лучом (МГКЛ).

Рис. 5

Рис. 5. Радиационные пояса вокруг Земли [67]

Рис. 6

Рис. 6. Русский ученый С. Н. Вернов (1910—1982), открывший внешний радиационный пояс [69]

Рис. 7

Рис. 7. Отечественный ученый А. Е. Чудаков (1921—2001), открывший внешний радиационный пояс [69]

Магнитное поле – это самая эффективная зона защиты человека от ионизирующих излучений от Солнца и галактики. Именно благодаря магнитному полю, существующему вокруг Земли, человек не облучается под воздействием солнечного излучения и других ионизирующих излучений из космоса. Однако это поле не распространяется до Луны, а вокруг Луны вообще нет магнитного поля. Поэтому следует изучить дальность распространения магнитного поля от Земли. На рис. 4 показаны четыре зоны формирования магнитного поля.

Магнитосфера Земли – это самая внешняя из магнитных защитных оболочек Земли. Она представляет собой деформированное солнечным ветром геомагнитное поле и является препятствием для плазмы солнечного ветра, увлекающей за собой солнечное магнитное поле. Хвост магнитосферы образован силовыми линиями магнитного поля Земли, вытянутыми на много земных радиусов в ночную сторону. Эффективная зона хвоста магнитосферы тянется до 15 земных радиусов.

Магнитосфера имеет сложную непостоянную по конфигурации форму и магнитный шлейф. Внешняя граница магнитосферы устанавливается на расстоянии около 100 – 200 тыс. км от Земли, где магнитное поле ослабевает и становится соизмеримым с космическим магнитным полем.

Рис. 8. Схема строения радиационных поясов, предложенная Дж. Ван Алленом [66]: верхний рисунок: к началу 1959 г.; единый пояс содержит максимум интенсивности на расстоянии двух радиусов Земли от ее центра плоскости экватора;

Рис. 8

Нижний рисунок: к середине 1959 г. (после анализа результатов с КА «Пионер-1, -2, -3, -4» и с III советского ИСЗ); в двух радиационных поясах максимумы находятся на удалении радиуса 1,5 земных (внутренний протонный) и 3,5 (внешний электронный).

Радиационный пояс Ван Аллена представляет собой зону энергии заряженные частицы, большинство из которых происходит из солнечного ветра, которые захватываются и удерживаются вокруг планеты магнитным полем этой планеты. Земля имеет два таких пояса, и иногда могут быть временно созданы другие. Два основных пояса Земли простираются от высоты примерно от 640 до 58000 км (от 400 до 36040 миль) над поверхностью, в этой области уровни излучения меняются. Считается, что большинство частиц, образующих пояса, происходит от солнечного ветра и других частиц космических лучей. Улавливая солнечный ветер, магнитное поле отклоняет эти энергичные частицы и защищает атмосферу от разрушения [62].

Рис. 9

Рис. 9. Солнечные вспышки, солнечный ветер и радиационные пояса вокруг Земли [67]

Американец Ван-Аллен открыл только внутренний пояс, а открывателями внешнего радиационного пояса являются советские ученые Вернов и Чудаков.

Значительная разница в экспериментах Вернова и Ван Аллена состояла в обследованных областях пространства. Спутник-2, имел наклон орбиты к земному экватору около 65°, американские Explorer-1, -3 – около 33°. Информация с советского спутника передавалась каждый день с трех витков, проходящих над территорией СССР, и принималась станциями, расположенными на территории СССР, а информация с остальной, большей части витков, была нам недоступна. Как потом стало ясно, это несовершенство эксперимента лишило нас очень важной информации в районе апогея орбиты (1760 км), где потоки частиц были значительно больше, т.е. фактически приоритета обнаружения повышенной радиации на больших высотах над поверхностью Земли. С американских спутников информация поступала практически со всех континентов, они на первых же витках получили данные о потоках частиц на всех высотах полета.

Такая интерпретация авторами первых измерений энергичных заряженных частиц на спутниках говорит о том, что обе группы, советская и американская, были не готовы к восприятию обнаруженного нового явления. Однако, результаты, доложенные Ван Алленом 1 мая 1958 года всколыхнули научную общественность, начались бурные обсуждения в различных научных группах, в основном на Западе. В Советский Союз в те времена информация, даже чисто научная, просачивалась с трудом. Результаты же полета Спутника-2 стали известны научной общественности только в июне 1958 года (дата выхода в свет журнала), да и то, в основном, русскоязычным читателям. Такое катастрофическое различие в популяризации своих достижений было характерно для советского периода, оно объясняется рядом причин, среди которых секретность стояла не на последнем месте.

Важный этап понимания нового явления приходится на май 1958 года, когда был запущен Спутник-3 (15 мая 1958 г).

Таким образом, к концу лета 1958 года научное сообщество узнало о существовании вокруг Земли областей повышенной радиации, о том, что эта радиация разделена на две зоны, внутреннюю -экваториальную и внешнюю – приполярную. Внутренняя зона заполнена, в основном, протонами 100 МэВ, внешняя – электронами 100 кэВ. Было установлено, что эти частицы захвачены магнитным полем Земли, и найден возможный источник наполнения поясов частицами.