Игорь Бубнов - Обитаемые космические станции
Известную опасность радиация представляет и для полупроводниковых приборов — транзисторов.
Мы уже упоминали об околоземных поясах радиации, образованных магнитным полем Земли (см. рис. 6). Это главный источник опасных излучений для экипажа ОКС. Радиационная «оболочка» Земли состоит из трех зон, или поясов — внутреннего, внешнего и самого внешнего.
Первый — внутренний пояс радиации — как бы охватывает земной шар вдоль геомагнитного экватора. Он состоит из частиц с высокой энергией — протонов. Относительно центра Земли этот пояс, как и порождающее его магнитное поле, расположен несимметрично: в западном полушарии нижний край его опускается до высоты 600 км, в восточном — поднимается до 1600 км. В некоторых местах (например, в южной части Атлантического океана) повышенная радиация начинается на еще меньших высотах — 350–400 км, что объясняется влиянием местных магнитных аномалий. По широте внутренний пояс распространяется примерно на 20° к северу и на 20° к югу от экватора. Интенсивность потока заряженных частиц в нем переменна по высоте: с подъемом на каждые 100 км она удваивается и достигает максимального значения на высоте 3000 км. Ионизирующее действие радиации внутреннего пояса вызывают главным образом протоны, которые могут создавать максимальную дозу, равную 50-100 рентгенов в час. Создать надежную защиту при такой дозе радиации можно, лишь применяя очень толстые экраны, вес каждого погонного сантиметра которых, по оценке американских специалистов, на современном уровне техники может составлять до 80 г.
Второй — внешний пояс радиации, — открытый советскими учеными, расположен на высотах от 9000 до 45000 км. Он намного шире внутреннего (распространяется на 50° к северу и на 50° к югу от экватора) и также обладает переменной интенсивностью. Максимальная доза, создаваемая внешним поясом за один час, может составить громадную величину — до 10000 рентген. Однако проблема защиты от радиации внешнего пояса будет, по всей вероятности, менее сложной, чем проблема защиты от радиации внутреннего пояса. Дело в том, что внешний пояс состоит в основном из частиц сравнительно невысокой энергии — электронов, от которых могут неплохо защитить даже обычные материалы обшивки космического корабля. Если же применить довольно тонкие свинцовые экраны, то эту дозу можно снизить в тысячи и десятки тысяч раз.
Что касается третьего — самого внешнего пояса радиации, — расположенного на высотах 45000-80000 км, то, несмотря на его пока еще недостаточную изученность, полагают, что радиация в нем не будет представлять большой опасности из-за малой энергии его частиц.
Интенсивность космической радиации резко возрастает под влиянием солнечных вспышек, которые, что особенно важно, довольно нерегулярны по времени и интенсивности. Например, за период с 1956 по 1960 г. было отмечено около десятка мощных вспышек на Солнце с частотой появления около двух в год. Вспышка, наблюдавшаяся 12 мая 1959 г., сопровождалась излучением протонов, которые на высоте 30 км создавали биологическую дозу в 2 рентгена в час; причем надо учитывать, что на этой высоте сильно сказывается экранирующее влияние атмосферы. Как видим, уже этот уровень дозы чрезмерно велик для человека, однако солнечные вспышки могут создавать и более интенсивные потоки радиации. Зарегистрированная в июле того же года при очередной вспышке на Солнце интенсивность потока протонов оказалась в десять раз больше предшествующей.
Обеспечение надежной защиты экипажа космического аппарата от действия радиации солнечных вспышек — весьма сложная задача. Достаточно сказать, что для защиты от средней по интенсивности вспышки 12 мая 1959 г. потребовался бы толстый графитовый экран, вес которого при площади 10 м2 составил бы 5 т. Теперь понятно, почему большое значение приобретает прогнозирование вспышек на Солнце. Многолетними наблюдениями за Солнцем установлено, что в его деятельности имеются периоды минимальной активности, Эти периоды наиболее благоприятны для полетов человека в космос и пребывания людей на борту орбитальных станций. Предполагается, что очередные периоды минимальной солнечной активности будут наблюдаться в 1963–1966 и 1972–1975 гг.
Итак, наибольшую опасность для экипажа ОКС представят интенсивные потоки протонов при вспышках на Солнце и при прохождении станцией внутреннего пояса радиации, где мощность дозы может достигать 1 рентгена в минуту и более. Как мы уже говорили, именно протоны являются теми частицами, от которых в первую очередь необходимо защищаться. Однако при разработке системы радиационной защиты ОКС нужно учитывать и то, что, попадая в материал обшивки и конструкции, протоны способны создавать вторичные продукты радиации, в частности гамма-лучи и рентгеновские лучи, обладающие еще большей проникающей способностью, чем протоны.
Способы защиты от космической радиации могут быть пассивными и активными. Пассивные способы аналогичны тем, которые применяются в настоящее время в практике реакторостроения, и основаны на свойствах материалов поглощать и частично отражать радиацию. Активные способы — это отражение протонов с использованием электростатических или электромагнитных полей. Используя положительный заряд протонов, можно воздействием поля изменить направление их потока и заставить обойти космическую станцию. Активная защита более эффективна, но связана с очень большим расходом энергии.
Пассивная защита может осуществляться экранированием наиболее ответственных, в первую очередь жилых и рабочих, отсеков ОКС щитами из материала, обеспечивающего уменьшение дозы ниже допустимого предела. Наилучшей поглощающей способностью обладают элементы с высоким атомным весом и прочными электронными связями, например свинец. Он является эффективным защитным материалом не только от протонов, но и от вторичных продуктов радиации. Водород, например, в качестве защиты от протонов по весу в пять раз эффективнее свинца, но водород беспомощен против гамма-излучения. Система же защиты свинцовыми экранами имеет очень большой вес.
На графике рис. 23 в логарифмическом масштабе показано изменение потребного веса защитных свинцовых экранов в зависимости от допускаемой скорости нарастания биологической дозы, создаваемой протонами внутреннего пояса радиации на высоте 3500 км и протонами от солнечной вспышки в мае 1959 г. [16].
Рис. 23. График изменения веса защиты в зависимости от скорости нарастания условной биологической дозы: 1 — от протонов во внутреннем поясе радиации; 2 — от протонов солнечной вспышки
На том же графике можно видеть, что если экипаж ОКС длительное время находится на орбите и существует опасность возникновения солнечной вспышки, то для снижения скорости нарастания дозы до более или менее приемлемого уровня (0,001 рентгена в минуту) свинцовая защита должна иметь толщину, соответствующую погонному весу более 500 кг на квадратный метр.
Приведенные зависимости носят, разумеется, общий оценочный характер и нуждаются в дальнейшем уточнении. Однако уже в таком виде они дают представление о потребной толщине свинцовых экранов и свидетельствуют о необходимости применения более эффективных в весовом отношении защитных материалов. Такими материалами могут оказаться исследуемые в настоящее время бор, углерод, полиэтилен и их комбинации.
Весьма перспективным средством повышения эффективности противорадиационной защиты считается комбинирование пассивного экрана с одним из активных способов.
Зная энергию приходящих протонов, нетрудно подсчитать потенциал электростатического поля для отражения всех протонов с заданным уровнем энергии. При создании электростатического поля вокруг космического аппарата его можно окружить двумя концентрическими сферами: внешней, заряженной отрицательно, и внутренней, заряженной положительно. Чем больше будет радиус внешней сферы, тем меньше величина заряда, которую надо сообщить сферам для отражения всех протонов с заданной энергией.
Разумеется, создание противорадиационной защиты подобного типа является пока лишь проблемой. При наличии внешней сферы с радиусом лишь в несколько метров (что само по себе связано с большими конструктивными трудностями) величина заряда, необходимая для защиты от высокоэнергичных протонов, должна быть огромной. Однако в условиях космического вакуума создать большие заряды, видимо, будет легче, чем в атмосфере, где велики токи утечки. Осуществимость такой противорадиационной защиты всецело зависит от создания сверхвысоковольтных электростатических генераторов приемлемого веса.
Электромагнитное поле также может изменять траекторию заряженных частиц, не изменяя их энергии. Для отражения высокоэнергичных протонов важна не только величина электромагнитного поля, но и его форма. Расчеты показывают, что для создания вокруг ОКС сферического защитного электромагнитного поля потребуется громадная электрическая мощность порядка 10-100 Мвт. Несколько эффективнее будут поля других, более сложных форм, например спиральное. Но нельзя забывать и о том, что наличие сильного электромагнитного поля вокруг ОКС затруднит выполнение многих научных экспериментов.
