Научные темы Асгардии. Защита от космической радиации. Что мы знаем об облучении в космосе и что нам предстоит узнать

Мир находится на амбициозном этапе истории освоения космоса, считает Сара Баату. Международные космические агентства и ряд частных компаний планируют полёты в дальний космос. Но нам ещё предстоит решить серьёзные проблемы, многие из которых связаны с опасностями для здоровья человека. Чем дольше продолжается полёт, тем большее негативного влияния он оказывает на человеческий организм. Чем дальше от Земли мы устремляемся, тем более необходимым становится найти способы адекватно оценивать космическую радиацию и противодействовать её влиянию. 

 

«Человечество не способно справиться со своими проблемами на Земле, поскольку всегда рассматривает их в земной плоскости. Следовательно, надо помочь людям подняться над Землёй и посмотреть на земные проблемы из космоса. Из этой концепции и появилась Асгардия с её главной научной миссией – рождением первого ребёнка в космосе, чтобы человечество могло быть уверенным в своём будущем, даже если Земля прекратит существование. За этой миссией стоят большие научно-технические вопросы, которые необходимо решить. Это создание искусственной гравитации, поскольку без неё невозможно развитие скелета плода, это защита от космической радиации и вопросы космической эмбриологии – три серьёзных научно-технических направления, с которыми, я надеюсь, мы справимся».

Игорь Ашурбейли, создатель и Глава Космического Государства Асгардия

Виды космической радиации

Космическая радиация (космическое излучение) – риск номер один для здоровья людей во время полётов за пределы низкой околоземной орбиты. Интенсивность исходящей от неё угрозы зависит от типа полёта и солнечной активности. Параметры, скорее всего, будут разными для каждого отдельного полёта.

Космическое излучение можно разделить на три отдельные категории: частицы, захваченные магнитным полем Земли; частицы, выброшенные в космос во время вспышек на Солнце (всплеск солнечных космических лучей); и галактические космические лучи, которые представляют собой высокоэнергетические протоны и тяжёлые ионы из-за пределов нашей Солнечной системы.

Излучение, переносимое солнечным ветром, считается малоопасным. Оно производит постоянный поток электронов, протонов и альфа-частиц низкой энергии, которые эффективно сводятся на нет оболочкой космического корабля. Однако солнечная вспышка, например, может вызвать опасный выброс протонов высокой энергии в течение одного или двух дней.

Галактическое космическое излучение, состоящее из протонов и альфа-частиц, а также тяжёлых ионов, всё ещё требует серьёзных исследований. Это непрерывный поток, который может быть критически опасным, и в настоящее время у учёных нет комплексного решения, как его остановить.

Если сравнивать мощность дозы (расчётную и полученную), то данные в разных исследованиях могут отличаться. Одна из главных проблем для разработчиков материалов, защищающих от радиации, заключается в том, что мощность облучения зависит от конкретного полёта, от солнечной активности в этот период. В исследованиях, проводимых на МКС, установлена связь этих показателей с перемещением станции. В разных полётах космонавты получают разные дозы облучения.

В условиях МКС дозы радиации могут в 250 раз превышать земные, при этом некоторые исследования фиксировали превышение в 150 раз. То есть это значение не является чем-то абсолютным, а меняется в зависимости от внешних обстоятельств, таких как солнечная активность, специфика полёта в конкретный момент времени.

Когда мы снова окажемся на Луне, мы столкнёмся с дозами радиации, которые будут примерно в 300 раз выше, чем на Земле. А полёт на Марс может дать уровень облучения в 1000 раз превышающий земной.

Последствия радиации: градация рисков

Радиация коварна тем, что может вызывать не только краткосрочные, но и долгосрочные последствия, например возникновение онкологических заболеваний спустя десятилетия после облучения.

Чем длительнее полёт, тем выше риски. Пунктирная красная линия в районе одного миллизиверта показывает уровень облучения населения на Земле. В рамках будущих полётов на Марс и Луну риск для здоровья будет гораздо серьёзнее

Наиболее очевидным и сильным воздействием является острый радиационный синдром. С ним столкнулись люди, пережившие атомную бомбардировку в Хиросиме и Нагасаки. Организм реагирует истощением и резким уменьшением количества прогениторов лейкоцитов, прогениторов эритроцитов и тромбоцитов, снижая количество и формулу крови – часто в течение нескольких дней.

Костный мозг – место производства прогениторных клеток крови – лейкоцитов, эритроцитов и тромбоцитов – является наиболее чувствительной к радиации частью организма. Уже получены некоторые результаты, которые могут быть использованы в ходе космических полётов.

Следующим после костного мозга в последовательности поражения является желудочно-кишечный тракт. Это связано в первую очередь с наличием стволовых клеток, которые обладают повышенной чувствительностью.

Диапазон радиационной чувствительности у людей

После облучения могут возникнуть различные виды онкологических заболеваний. К ним относится рак лёгких, груди, желудка, печени, мочевого пузыря, кожи, толстой кишки или мозга.

Облучение может вызвать и некоторые острые и поздние изменения в когнитивной сфере, связанные с воздействием на гиппокамп – область мозга, отвечающую за обучение и пространственную ориентацию. Гиппокамп играет важную роль в двигательной функции и настроении, и он очень восприимчив и чувствителен к радиации. Повреждение гиппокампа может привести и к другим видам заболеваниям, не обязательно связанным с онкологией.

Отдельные последствия для здоровья, связанные с воздействием космической радиации (NASA)

Материалы радиационной защиты: какие скафандры нужны на Луне

При создании материалов для защиты от радиации необходимо учитывать возможное образование вторичных частиц из самого защитного материала. При облучении могут образовываться мириады вторичных частиц.

Потребуются материалы, состоящие из маленьких атомов (например, водород или бор). Для полёта к Луне одним из таких материалов может стать вода. Но чтобы защититься от галактических космических лучей, потребовался бы слой воды толщиной около 12 м...

Перед радиацией мы не равны. Кто-то очень чувствителен, кто-то более устойчив к облучению. Так есть ли способ персонализировать программы защиты, прогнозирующие чувствительность каждого астронавта, и разработать конкретные режимы противодействия? Поскольку в предстоящих полётах на Луну предусматривается масштабная внекорабельная деятельность (ВКД), это очень важно. Ведь астронавты будут выходить на поверхность спутника до 50 раз за миссию.

Внекорабельная деятельность в рамках миссий «Аполлон» была довольно короткой – от двух часов во время миссии «Аполлон-9» и до 22 часов во время миссии «Аполлон-17», и это несравнимо с тем, что нам предстоит.

На сегодняшний день ни один астронавт не осуществлял ВКД на Луне более трёх раз, но будущим астронавтам придётся выполнять её гораздо чаще, поэтому новые скафандры должны быть прочными и устойчивыми к истиранию химически активной пылью реголита, а также обеспечивать защиту от ультрафиолета, поддерживать уровень температуры и кислорода для дыхания.

Большое внимание нужно будет уделить гибкости и эластичности скафандра, чтобы в нём можно было легко передвигаться. В настоящее время проводятся испытания различных компонентов, таких как гортекс, кевлар и тефлон, но для обеспечения безопасности лунных миссий предстоит провести ещё много исследований.

Внекорабельная деятельность на Луне осуществлялась от двух часов («Аполлон-9») до 22 часов («Аполлон-17»). По прогнозам, обитатели будущей лунной базы должны будут отработать в открытом космосе до 30 000 часов

В Бельгийском центре ядерных исследований (SCK CEN) совместно с Мюнхенским университетом Людвига-Максимилиана мы проводим мониторинг восприимчивости к радиации у астронавтов, чтобы скорректировать их программы защиты от радиационного воздействия во время полёта и, возможно, дать рекомендации, включающие максимальное количество выходов в открытый космос, которые должен совершить каждый отдельный астронавт.

Персонализированные программы защиты нужны не только в космосе, но и в земной медицине. Существуют различные способы применения фармакологических соединений, а радиопротекторы, например, дают довольно интересные результаты по защите костного мозга.

Ещё один вопрос, который предстоит решить, – биомаркеры радиации, оценка восприимчивости к краткосрочному и долгосрочному воздействию космической радиации.

Конечно, живя на Земле, мы находимся в коконе и очень хорошо защищены, потому что 99,9 процента космической радиации останавливается атмосферой и магнитным полем. Но на МКС дело обстоит иначе. Совместно с Германским аэрокосмическим центром (DLR) Бельгийский центр ядерных исследований (SCK CEN) разместил детекторы радиации внутри и снаружи МКС, кроме того, мы следим за состоянием здоровья астронавтов и, в частности, за проблемами иммунной системы после длительных космических полётов.

Мы изучаем восприимчивость к радиации, чтобы понять, как клетки восстанавливаются, и с одинаковой ли скоростью они восстанавливаются при повреждении ДНК. Одинаковы ли у разных людей уровни мутаций?

Сейчас мы пытаемся установить, что происходит в организме астронавта после полёта, который длится шесть месяцев и более.

Проводимые исследования и то, чего мы ещё не знаем о воздействии радиации

Существует необходимость в повышении радиационной резистентности и разработке биомаркеров как показателя, отражающего взаимодействие между биологической системой и агентом окружающей среды, который может быть химическим, физическим и биологическим.

Различные типы биомаркеров включают в себя показатели радиационного воздействия и чувствительности, восприимчивости к нему человека. Наличие биомаркеров важно не только для развития космонавтики и минимализации последствий ядерных аварий, но и для вполне повседневных медицинских целей, таких как оптимизация дозы лучевой терапии.

Радиационная чувствительность снижается с возрастом. Наиболее чувствительны к радиации эмбрионы, поскольку клеточный цикл у них чрезвычайно быстрый – около восьми часов в раннем эмбриогенезе, в то время как у взрослого человека типичный клеточный цикл составляет около 24 часов (Международная комиссия по радиационной защите – ICRP, 1990)

Повреждение ДНК в настоящее время является предметом многочисленных научных исследований. В Европе мы сотрудничаем с такими исследовательскими центрами, как Институт тяжёлых ионов (GSI) в Дармштадте (Германия), и Институт исследования фундаментальных законов Вселенной  (Ganil) в Кане, Франция.

Мы знаем, что галактическое космическое излучение вызывает повреждение биомолекул, но нам нужно уметь определять схемы повреждения ДНК, различные профили окислительных повреждений и длительность их восстановления.

Исследования, проведённые в Бельгийском центре ядерных исследований (SCK CEN), показали, что даже дозы радиации, лишь немногим превышающие норму, могут негативно влиять на нейронную сеть мозга, уменьшая количество клеток, сокращая количество синапсов и длину нейритов (отростки нейронов). 1A: обычные нейроны; 1B: нейроны, подвергшиеся воздействию симулированной микрогравитации; 1C: нейроны, подвергшиеся воздействию симулированной космической радиации

Большую озабоченность вызывает тот факт, что на сегодняшний день нет данных по исследованиям на людях, чтобы можно было оценить риски, связанные с тяжёлыми ионами. Для получения новых научных знаний необходимы животные и клеточные модели с имитацией космической радиации.

Мы также не знаем, существуют ли потенциальные аддитивные или синергетические модификаторы риска. Поэтому важно расширить объём имеющихся знаний о влиянии радиации и радиационной резистентности.

Визуализация молекулярной радиобиологии в Бельгийском центре ядерных исследований (SCK CEN), иллюстрирующая анализ повреждений ДНК тяжёлыми ионами в клетках человека

Ещё одним видом тканей, весьма чувствительным к радиации, является сердечно-сосудистая система, поэтому в 2016 году Бельгийский центр ядерных исследований (SCK CEN) совместно с Орхусским университетом провели эксперимент с участием астронавта Тима Пика, чтобы понять, насколько восприимчивы клетки крови и кровеносные сосуды.

Неудивительно, что человеческий мозг также чувствителен к условиям космоса. Важно не только сохранить клетки мозга, но и обеспечить высокое качество синапсов – связей между клетками. Исследования показали, что даже малые дозы радиации в условиях имитации микрогравитации могут негативно влиять на нейронную сеть, уменьшая количество клеток, сокращая количество синапсов и длину нейритов (отростков нейронов).

Чтобы повысить устойчивость к радиации, нам необходимо понять, какие механизмы сопротивления радиации вырабатывают другие организмы. Например, один из микроскопических типов животных – бделлоидные коловратки – устойчив к радиации благодаря эффективной системе антиоксидантов и восстановления ДНК. Бельгийский центр ядерных исследований (SCK CEN) совместно с Университетом Намюра (Бельгия) отправили несколько этих крошечных существ на МКС в декабре 2019 года.

28-29 апреля 2015 года в космосе произошёл выброс корональной массы (ВКМ). За ВКМ иногда следует волна высокоэнергетических частиц, которые могут быть опасны для астронавтов и электроники, находящихся вне защиты магнитного поля и атмосферы Земли. При планировании полётов на Марс необходимо будет предусмотреть защиту от излучения таких частиц

Чтобы определить максимальный уровень радиации, который могут переносить астронавты, необходима  совместная, согласованная работа всех международных космических агентств.

Обсуждение данного вопроса уже началось. Рабочая группа Международной комиссии по радиологической защите пытается выработать консенсус между различными космическими агентствами.

Текст публикуется по английскому оригиналу, вышедшему в аэрокосмическом журнале ROOM, который основатель и Глава Асгардии Игорь Ашурбейли издаёт с 2014 года. Все материалы ведущих учёных мировой космической отрасли, публикуемые в журнале, доступны по платной подписке на сайте room.eu.com

Об авторе

Доктор Сара Баату возглавляет отделение радиобиологии в Бельгийском центре ядерных исследований (г. Моль, Бельгия). Подразделение занимается оценкой радиационного риска при профессиональном, случайном, медицинском или космическом облучении.