Опасности радиации

Один из главных драконов, перегородивших путь к Марсу, известен под именем радиация. Нам говорят, что радиация смертельна, и мы можем быть уверены в безопасности путешествия, только если у нас появится сверхскоростной космический корабль, на которым мы промчимся через якобы заполненное радиацией пространство за невероятно короткое время. Или если сможем защитить астронавтов с помощью толстой обшивки огромного космического корабля, масса которого приблизится к массе астероида. Нас также предупредили, что космическая радиация обладает принципиально новыми свойствами и рискнуть и отправиться на Марс можно только после того, как мы в течении десятилетий изучим долгосрочные последствия ее воздействия на людей, находящихся в межпланетном пространстве.

Но на самом деле почти все утверждения, приведенные в предыдущем абзаце, являются вздорными. Единственное из них, близкое к правде, – первое: радиация смертельна. Это, безусловно, верно, но только если доза облучения очень велика.

Люди эволюционировали в среде, заполненной значительным количеством естественной фоновой радиации. В США в наши дни люди, живущие вблизи уровня моря, в год получают около 150 мбэр. (1 мбэр, или миллибэр, является тысячной долей от 1 бэр. Бэр – биологический эквивалент рентгена – основная единица, используемая для измерения дозы облучения в США. В Европе используют зиверты (Зв). 1 Зв = 100 бэр.) С другой стороны, те, кто может позволить себе жить в горах, например в Вейле или Аспене в штате Колорадо, ежегодно получают дозу выше 300 мбэр – поскольку лишены значительной защиты от космических лучей, которую предоставляет земная атмосфера. Поскольку мы эволюционировали под воздействием излучения, нам фактически необходима радиация, чтобы оставаться здоровыми. Это может идти вразрез с распространенным мнением и настроениями различных правительственных регулирующих организаций, но многочисленные исследования людей, помещенных в неестественную среду, лишенную радиации, показали значительное ухудшение их здоровья по сравнению с контрольной группой, подвергавшейся воздействию природного ионизирующего излучения. Это явление, известное как радиационный гормезис [15, 16], вызвано тем, что нашему организму для стимуляции механизмов самовосстановления необходим определенный радиационный фон. Пока неясно, каков оптимальный для человека уровень радиационного воздействия, но он точно не равен нулю.

Тем не менее, безусловно, верно, что очень большие дозы радиации, полученные за очень короткое время, как, например, в течение нескольких секунд после взрыва атомной бомбы или за несколько минут у выведенного из строя ядерного реактора, могут убить и убьют. Последствия таких разовых доз радиации хорошо известны по наблюдениям за жертвами бомбардировок Хиросимы и Нагасаки. Благодаря этим исследованиям удалось установить, что разовые дозы менее 75 бэр в не давали никаких видимых последствий. Если доза составляет от 75 до 200 бэр, лучевой болезнью (симптомами которой являются рвота, усталость и потеря аппетита) будут страдать от 5 до 50 % облученных, причем процент заболевших увеличивается при увеличении дозы. При этом уровне воздействия почти все пострадавшие восстанавливают здоровье через несколько недель. При 300 бэр лучевая болезнь возникает у всех без исключения, появляются случаи с летальным исходом, их количество вырастает до 50 % при 450 бэр и до 80 % при 600 бэр. При дозах 1000 бэр или более не выживает почти никто.

Таковы последствия разовых доз, то есть таких доз, которые человек получает за отрезок времени, значительно более короткий, чем те несколько недель, которые требуются организму для воспроизводства клеток и самовосстановления. Эта ситуация похожа на употребление алкоголя или любого другого химического токсина. Человек может пить по одному бокалу мартини за вечер в течение многих лет без заметных последствий, так как у его печени будет достаточно времени, чтобы очистить организм после каждого употребления напитка. Если бы человек выпил сто мартини в течение одной ночи, он бы умер. Сходным образом радиация наносит вред живым организмам, провоцируя в клетках химические реакции, в ходе которых вырабатываются токсичные вещества, способные убить отдельную клетку или нарушить ее нормальную работу. Если доза мала, то способности отдельных клеток к самовосстановлению оказываются достаточными, чтобы справиться с порожденным радиацией токсином и спасти клетку. При более значительных дозах ткани тела человека, действующие как единое целое, способны генерировать клетки взамен пострадавших до того момента, пока потеря этих пострадавших клеток не вызывает проблем у всего организма. И только тогда, когда радиация подавляет механизм самовосстановления клеток, у человека возникают серьезные проблемы со здоровьем.

В дополнение к тому, что чрезмерные разовые дозы вызывают лучевую болезнь и смерть, малые дозы при хроническом воздействии могут повысить вероятность развития рака у людей и животных. Это происходит потому, что радиационно-индуцированный токсин, попавший в клетку под воздействием радиации, может быть канцерогеном. Специалисты пока не пришли к согласию по поводу точного соотношения между такими хроническими дозами и отсроченными проявлениями рака, тем не менее это соотношение было изучено гораздо более детально, чем влияние на здоровье человека какого-либо из химических канцерогенов, присутствующих в нашей среде обитания. Например, в Великобритании до 1960 года для лечения анкилозирующего спондилоартрита (болезни Бехтерева) широко применяли облучение костного мозга позвоночника. Люди, проходившие такое лечение, стали участниками последующих многочисленных исследований лейкемии, вызванной облучением. В самом крупном из таких исследований в течение двадцати пяти лет после начала лечения отслеживали историю болезни 14554 взрослых пациентов, получивших дозы от 375 до 2750 бэр каждый. В этой группе от лейкемии умерли шестьдесят пациентов, этот результат хуже показателя для случайной группы современных жителей Великобритании, где в год из 1000 человек от лейкемии умирают шестеро. Тем не менее, несмотря на огромные дозы, смертность облученных пациентов составляла меньше 0,5 %. На основе этого и сотен подобных исследований Национальная академия наук США и Национальный исследовательский совет выпустили отчет [17], известный как «Отчет о биологическом влиянии ионизирующего излучения (БВИИ)», в котором оценили вероятность появления онкологических заболеваний с летальным исходом за тридцать лет хронического воздействия доз радиации мощностью 100 бэр на людей старше десяти лет (табл. 5.1).

Итак, по оценкам БВИИ, вероятность появления онкологических заболеваний с летальным исходом составляет 1,8 % в течение тридцати лет на каждые полученные 100 бэр. Если женщина-астронавт за 2,5 года марсианской миссии получит дозу в 50 бэр и после возвращения проживет тридцать лет, вероятность смертельно заболеть раком из-за воздействия радиации составит 50/100 ? 1,81 % = 0,905 %. (Вероятность смертельно заболеть раком в течение одного года будет в тридцать раз ниже, то есть составит 0,03 %. Риск заболеть раком из-за воздействия радиации непосредственно в ходе миссии сам по себе практически нулевой.) Если астронавт – мужчина, вероятность будет немного меньше, 0,68 %, так как мужчины не болеют раком молочной железы. Учитывая, что астронавты не курят, вероятность того, что они умрут от рака, если не полетят на Марс, близка к 20 %. Следовательно, учитывая дозу, связанную с полетом, вероятность заболеть раком вырастет с 20 % до чуть менее чем 21 %.

Таблица 5.1. Оценки риска развития рака из-за хронического воздействия радиации общей мощностью 100 бэр

Выше я упоминал хроническую (не разовую) дозу в 50 бэр, которая может быть получена за два с половиной года марсианской миссии. Возникает вопрос: как параметры оборудования, доступного сегодня для пилотируемой марсианской миссии, способны повлиять на ожидаемые дозы облучения, которые может получить экипаж?

Есть два типа источников радиации, которые могут повлиять на астронавтов в марсианской миссии: солнечные вспышки и космические лучи.

Солнечные вспышки состоят из потоков протонов, вырывающихся из Солнца нерегулярно в непредсказуемые интервалы времени порядка раза в год. За несколько часов совершенно незащищенный астронавт может получить от одной солнечной вспышки дозу в сотни бэр, а этого, как мы уже знаем, достаточно, чтобы вызвать лучевую болезнь или даже смерть. Тем не менее частицы, составляющие солнечную вспышку, по отдельности могут нести энергию около одного миллиона электрон-вольт, и их нетрудно остановить умеренным слоем защиты. Например, если мы рассмотрим три крупнейшие в истории зарегистрированные солнечные вспышки, произошедшие в феврале 1956 года, ноябре 1960 года и августе 1972 года, мы обнаружим, что дозы, которые мог получить астронавт, защищенный только корпусом межпланетного космического корабля, как наш хаб (который вместе с обшивкой, мебелью, различными инженерными системами, оборудованием и другими объектами действует как защитный слой с поверхностной плотностью около 5 граммов на квадратный сантиметр массы, распределенной по его периферии, чтобы оградить обитателей), усреднились бы примерно до 38 бэр. А если бы астронавт ушел в кладовую хаба, которая одновременно является убежищем (поверхностная плотность экранирующей обшивки хаба «Марс Директ» составляет около 35 граммов на квадратный сантиметр, рис. 5.1), слой запасов уменьшил бы дозу приблизительно до 8 бэр [18, 19, 20]. Если бы астронавт сидел в хабе на Марсе во время вспышки, мощность которой была бы усредненной по сравнению с названными историческими случаями, он бы получил дозу около 10 бэр, если бы находился за пределами склада, или 3 бэр на складе. (Дозы радиации на поверхности Марса намного ниже, потому что атмосфера и поверхность планеты защищают от большей части излучения.)

Космические лучи несут различные дозы. Поскольку они состоят из частиц с энергиями до миллиардов электрон-вольт, для их остановки нужна обшивка толщиной в метры, то есть защититься от космических лучей во время межпланетного перелета практически невозможно. На Марсе, однако, сама планета поглощает все космические лучи, идущие снизу, а с помощью мешков с песком можно блокировать, по меньшей мере часть космических лучей, падающих на хаб сверху.

Рис. 5.1. Схема жилого модуля «Марс Директ». В случае солнечной вспышки кладовую можно использовать как убежище для экипажа

Кроме того, в отличие от солнечных вспышек, космические лучи не появляются в виде эпизодических потоков частиц. Скорее, они похожи на мелкий затяжной дождь из частиц. Астронавт, находящийся в хабе во время полета через межпланетное пространство, получит от космических лучей дозу, которая колеблется от 20 до 50 бэр в год, в зависимости от того, в какой части своего одиннадцатилетнего цикла активности находится Солнце. Самые большие дозы радиации от космических лучей поступают во время минимальной солнечной активности, тогда как во время так называемого солнечного максимума магнитное поле Солнца простирается далеко и фактически работает для всей Солнечной системы экраном против космических лучей из межзвездного пространства. Однако в среднем за год межпланетного полета можно получить от космических лучей дозу в 35 бэр. Если бы на Марсе экипаж не был защищен от них, доза составила бы около 9 бэр в год, в то время как под защитным навесом (мешки с песком на крыше хаба) она равнялась бы около 6 бэр в год. Поскольку на Марсе экипаж будет проводить основное, но не все время в хабе, среднее значение дозы от космических лучей в 7 бэр в год можно считать разумным для этого этапа миссии. Если объединить приведенные данные и рассчитать варианты для миссии в соединении и в противостоянии, предположив, что солнечные вспышки мощностью, равной среднему арифметическому мощностей трех сильнейших вспышек в истории, во время миссии происходят один раз в год, мы получим предсказанные дозы облучения, показанные в табл. 5.2.

Таблица 5.2. Дозы облучения, получаемые во время марсианских миссий

Как уже говорилось в предыдущей главе, для миссии «Марс Директ» выбрана траектория в соединении, оценочная доза радиации для всей длительности миссии в этом случае варьируется между 41 и 62 бэр, в зависимости от того, находится ли Солнце в минимуме или максимуме одиннадцатилетнего цикла активности. Таким образом, оценка в 50 бэр для миссии на Марс в оба конца реалистична и отражает среднее значение для условий минимума и максимума солнечной активности. Мы также можем видеть, что в худшем случае ожидаемая доза от солнечных вспышек для миссии «Марс Директ» составляет около 5 бэр, что намного ниже порогового значения разовой дозы в 75 бэр, вызывающего лучевую болезнь.

Глядя на табл. 5.2, обратите внимание, насколько смешны аргументы в пользу миссии в противостоянии с точки зрения уменьшения дозы радиации. При значительно большей массе и стоимости и намного более низкой научной ценности миссии (из-за ограниченного времени пребывания на Марсе) полная доза радиации, которая будет получена при миссии в противостоянии, больше, чем для миссии в соединении, а ожидаемая разовая доза от солнечных вспышек на 75 % выше. Но в принципе хронические дозы, которые можно получить на любой из этих траекторий, предсказуемы, и ими можно пренебречь по сравнению со всеми другими рисками пилотируемых космических полетов. Единственная реальная опасность, связанная с радиацией, – это возможность солнечной вспышки с чудовищной разовой дозой, которая намного превышает все, что было измерено за последние пятьдесят лет. Вероятность этого намного выше для миссии в противостоянии из-за близкого прохода мимо Солнца. То есть аргумент об опасности радиации несостоятелен, и миссия в противостоянии не лучше выбранной для программы «Марс Директ» миссии в соединении или даже использования траектории минимальных энергозатрат. Как раз наоборот, с точки зрения радиационной опасности траектория в противостоянии – худший возможный выбор.

Кстати, вопреки страшным байкам, которые рассказывают люди, желающие получить большие средства на исследования в области радиационной защиты, в дозах облучения от космических лучей нет ничего экстраординарного по сравнению с другими типами радиационных доз. Космические лучи несут около половины дозы радиации, которую люди, живущие примерно на уровне моря на Земле, получают на протяжении всей жизни, а тем, кто живет или работает на большой высоте, достается больше. Например, пилот трансатлантической авиакомпании, выполняющий по одному рейсу пять дней в неделю, будет получать дозу около 1 бэр в год из-за космических лучей. За двадцатипятилетюю летную карьеру он получит более половины от общей дозы радиации из-за космических лучей, которую получили бы члены экипажа миссии на Марс длиной в два с половиной года. На самом деле, из-за того что дозы радиации от космических лучей на НОО Земли ровно в два раза меньше, чем аналогичные дозы в межпланетном пространстве, с десяток астронавтов и космонавтов (Вальц, Фоул, Крикалев, Соловьев, Поляков, Авдеев и несколько других), участвовавших в полетах на «Мир» или МКС, уже получили дозы радиации примерно вдвое больше, чем те, которые угрожают членам экипажа пилотируемой миссии на Марс, и ни один из них не испытал из-за этого проблем со здоровьем.

Итак, еще раз повторюсь, используя только химические двигатели, а не гиперпространственный двигатель, мы можем отправить к Марсу и вернуть домой экипаж, причем полученные им дозы облучения будут ограничены примерно 50 бэрами. Хотя такие дозы не рекомендуются обычным людям, они представляют собой лишь малую долю от общего риска не только для космических путешествий, но и для таких популярных видов отдыха, как альпинизм, скалолазание или виндсерфинг. Радиационные опасности нельзя считать непреодолимым препятствием для пилотируемых миссий на Марс.