Если на Марс, то очень быстро!

Самую большую опасность ученые видят в галактическом излучении: оно способно лишить человека зрения и разума, без чего ни до цели долететь, ни домой вернуться не выйдет.

Утверждения исследователей об опасности тяжелых ионов для организма космонавтов не умозрительны, они базируются на данных ускорительных экспериментов с животными, проведенных в Лаборатории радиационной биологии Объединенного института ядерных исследований (ЛРБ ОИЯИ) в сотрудничестве с Институтом медико-биологических проблем РАН (ИМПБ РАН), Институтом биохимии РАН (ИБХ РАН) и во взаимодействии с биологами из Американского национального космического агентства (NASA).

В дальнем космосе – за пределами магнитного поля Земли – человека подстерегает опасное космическое излучение, исходящее из глубин галактики.

"Галактические космические лучи представляют собой потоки элементарных частиц – легких и тяжелых ионов, – поясняет директор Научно-исследовательского института ядерной физики имени Д.В.Скобельцына (НИИЯФ МГУ) Михаил Панасюк. – Атомы космических лучей лишены электронных оболочек, по сути они – "голые" ядра. Причина этого – взаимодействие с веществом в процессе их переноса во Вселенной. Самый распространенный элемент космических лучей – водород, его ионы – протоны. Эти частицы ускоряются на ударных волнах – остатках от взрывов сверхновых звезд. Такие звезды взрываются в нашей Галактике не чаще, чем один раз за 30 - 50 лет. Поток частиц галактических космических лучей постоянен, в отличие от солнечных космических лучей, которые генерируются на Солнце или в межпланетной среде во время солнечных вспышек. В силу этого суммарный вклад солнечных космических лучей за длительное время незначителен. Но во время  солнечных вспышек (в течение нескольких часов, суток) поток солнечных космических лучей  может превышать поток галактических космических лучей. К тому же энергии частиц солнечных космических лучей, как правило, меньше, чем у частиц галактических космических лучей. Существуют также внегалактические космические лучи, попадающие  в нашу Галактику из других галактик. Их энергии больше, чем у галактических космических лучей, но потоки значительно меньше. Космические лучи имеют громадный диапазон энергий: от 106 (1 МэВ) до 1021 эВ (1 ЗэВ)".

Установленные на исследовательских космических спутниках энергомасс-спектрометры регистрировали состав космических лучей. Выяснилось, что чуть менее одного процента всех частиц галактического излучения составляют тяжелые ионы с энергией 300 - 500 МэВ/нуклон – ядра тяжелых химических элементов. Во фракции легких и тяжелых ионов галактического излучения больше всего ионов углерода, кислорода и железа – из этих стабильных элементов в результате эволюции звезд образуются звездные ядра.

Результаты измерений космических спутников послужили основой для дальнейших модельных расчетов, показавших, что вне магнитосферы Земли на квадратный сантиметр площади падает в год примерно 105 тяжелых ионов, а в сутки – около 160 частиц с зарядом Z больше 20. Значит, во время полёта на Марс за каждые сутки именно такое их количество упадет на квадратный сантиметр поверхности тела космонавта.

Космические тяжелые ионы обладают настолько высокой энергией, что "прошивают" обшивку современного космического корабля в открытом космосе, подобно пушечным ядрам, бомбардирующим тонкий шелк. Как это может повредить в долгом путешествии здоровью посланцев Земли, выяснили ученые Лаборатории радиационной биологии ОИЯИ.

"Нам удалось разобраться в том, почему одинаковые дозы разных излучений (поток тяжелых ионов, нейтронное, гамма-излучение) вызывают неодинаковое воздействие на живые клетки, – рассказывает директор ЛРБ ОИЯИ член-корреспондент РАН Евгений Красавин. – Оказалось, что различия в эффективности действия разных излучений связаны как с физическими характеристиками излучений, так и с биологическими свойствами самой живой клетки – ее способностью восстанавливать повреждения ДНК после облучения. В экспериментах на ускорителях тяжелых ионов мы выяснили, что самые тяжелые повреждения ДНК возникают под воздействием тяжелых ионов. Разницу между воздействием рентгеновских лучей (пучка фотонов) и пучка тяжелых ионов можно представить себе образно так: выстрелить из ружья в стену мелкой дробью – это вред от рентгеновских лучей, выстрелить в ту же стену пушечным ядром – это разрушения от одного тяжелого иона. Тяжелые частицы, обладая большой массой, теряют значительно больше своей энергии на единицу пройденного пути, чем их более лёгкие собратья. Оттого-то, проходя сквозь клетку, тяжелый ион на своем пути производит большие разрушения. Когда через ядро клетки проходит тяжелая частица, образуются повреждения "кластерного типа" с множественными разрывами химических связей во фрагменте ДНК. Они и вызывают различные типы тяжёлых хромосомных поломок в ядрах клеток".

Далее логика рассуждений ученых была такой. Ионы водорода (протоны) с энергией в 200 - 300 МэВ/нуклон успевают до полного торможения пробежать в воде путь длиной 11 см. Человеческое тело на 90 % состоит из воды. Экстраполируя этот результат на живой человеческий организм, получаем вывод: даже легкие ионы на своем пути смогут повредить тысячи клеток нашего тела. В случае тяжелых ионов с зарядом более 20 следует ожидать еще более плачевный для здоровья результат.

Какие же органы человека могут быть повреждены галактическими тяжелыми ионами наиболее сильно и опасно для жизни?

– Если подумать об активно пролиферирующих – быстро обновляющихся – тканях организма, таких, как кровь или кожа, то их повреждения в силу естественных свойств будут быстро восстанавливаться, – объясняет директор ЛРБ ОИЯИ Евгений Красавин. – Зато на статические ткани – центральную нервную систему, глаз, не имеющие естественной способности быстрого ремонта повреждений, постоянный поток тяжелых ионов окажет наслаивающееся вредное воздействие, вызывая регулярную гибель клеток. А ведь центральная нервная система и глаз – управляющие "чипы" нашего организма.

В экспериментах на животных в Дубне группа радиобиологов под руководством академика РАН Михаила Островского изучила механизмы воздействия тяжелых ионов на структуры глаза – хрусталик, сетчатку, роговицу. На ускорителях ОИЯИ пучками протонов с энергией 100 - 200 МэВ облучали мышей и растворы кристаллинов (белков) их хрусталика.

"Хрусталик глаза человека и позвоночных животных на 90% состоит из альфа-, бета- и гамма-кристаллинов, – сообщил в своем докладе на выездном заседании бюро ОФФМ РАН академик Островский. – Содержание этих белков в хрусталике примерно одинаково, однако они существенно отличаются по структуре и молекулярной массе. Воздействие ультрафиолетового излучения или радиации способно вызывать агрегацию кристаллинов – появление непрозрачных волокон в хрусталике. В результате агрегации образуются крупные светорассеивающие конгломераты, которые приводят к помутнению хрусталика, то есть к развитию катаракты. Проходя через хрусталик глаза, даже единичные тяжелые ионы спустя некоторое время могут вызвать его помутнение.

Меньше всего радиобиологами изучено повреждающее действие тяжелых ионов на центральную нервную систему. По оценкам специалистов NASA, в ходе марсианской миссии от 2-х до 13-ти процентов нервных клеток будут пересекаться как минимум одним ионом железа. А сквозь ядро каждой клетки организма раз в три дня будет пролетать один протон. Поэтому возникает серьезная опасность необратимых нарушений поведенческих реакций экипажа корабля. Это ставит под угрозу выполнение миссии в целом. Мозг – очень тонкий инструмент, и нарушение небольших его участков может приводить к утрате работоспособности всего организма, как это бывает у людей, перенесших инсульт, или у тех, кто страдает болезнью Альцгеймера.

В Лаборатории космической радиации NASA в Брукхейвене с помощью пучка ускоренных до энергии 1 ГэВ/нуклон ионов железа смоделировали галактическое излучение на предускорителе тяжелых ионов коллайдера RHIC Брукхейвенской национальной лаборатории. Эксперимент с крысами назывался "когнитивный тест". В круглом бассейне под тонким слоем непрозрачной воды расположили небольшую твердую площадку. В этот бассейн запускали лабораторных крыс – сначала здоровых, а затем облученных пучками ионов железа – и следили за тем, насколько быстро животные могут найти эту площадку и залезть на нее. Здоровые крысы быстро обнаруживали площадку и направлялись к ней по кратчайшей траектории. Облучение тяжелыми ионами резко изменяло когнитивные функции (способность к обучению) животных. Спустя месяц после облучения поведение крысы резко менялось. Она петляла, долгое время кружила по бассейну, пока ей практически случайно не удавалось почувствовать твердую почву под ногами. Мыслительные способности животного оказались сильно нарушенными. При облучении крыс рентгеновским и гамма-излучением такого эффекта не наблюдалось.

Для того чтобы представить возможные последствия облучения организма человека тяжелыми ионами, необходимо "проиграть" модель космической опасности на приматах, считают исследователи. Тем не менее выявленный на грызунах вред от воздействия галактического излучения тяжелых ионов достаточно убедителен, чтобы не думать о нем, планируя отправить людей в длительный полет на Марс.

Из того, что на сегодняшний день известно физикам и биологам, следует: нельзя свести к нулю риск радиационного поражения космонавтов в течение более чем годичного путешествия на Марс. Способы уменьшить этот риск существуют пока в виде идей.

Идея первая: спланировать полет на Марс во время максимума цикла солнечной активности. В это время поток галактических космических лучей будет меньше из-за того, что межпланетное магнитное поле солнечной системы будет искривлять траектории галактических космических лучей, стремясь уменьшить интенсивность их частиц и "выметая" из cолнечной системы частицы с энергиями меньшими 400 МэВ/нуклон.

Идея вторая: значительно снизить дозы радиации от галактического излучения с помощью надежной защиты корабля и предусмотреть в конструкции корабля специальный отсек-укрытие с более мощной защитой от мощных потоков непредсказуемого солнечного ветра. Уже разрабатываются новые виды защитных материалов, которые стали бы эффективнее ныне использующегося алюминия, например, водородосодержащие пластики типа полиэтилена. С их помощью можно создать защиту, способную при толщине 7 см уменьшать дозу радиации на 30 - 35%. Правда, этого мало, считают ученые, толщину защитного слоя надо увеличивать. А если не выходит, то значительно сокращать длительность полета – скажем, хотя бы до 100 дней. Сто дней – цифра пока лишь интуитивно обоснованная. Но в любом случае летать надо быстрее.

Идея третья: снабдить пилотов марсианского корабля эффективными противорадиационными препаратами, которые смогли бы значительно укрепить связи между белками ДНК, понизив их уязвимость перед бомбардировками тяжелыми ионами. 

Идея четвертая: создать вокруг космического корабля искусственное магнитное поле, подобное земному магнитному полю. Есть проект сверхпроводящего тороидального магнита, внутри и вне которого поле приближается к нулю, чтобы не повредить здоровью космонавтов. Мощное поле такого магнита должно отвести от корабля большую долю космических протонов и ядер, снизить в 3 - 4 раза дозу радиационного облучения за время экспедиции на Марс. Прообраз такого магнита уже создан и будет использован в эксперименте для исследования космических лучей на борту международной космической станции.

Все же, пока идеи защиты марсианского экипажа не нашли своего воплощения, выход один, утверждают радиобиологи: провести подробные радиобиологические исследования в земных условиях на ускорителях тяжелых ионов, которые в наземных условиях позволят смоделировать повреждающее действие тяжелых ядер высоких энергий, исходящих из глубин галактики. Среди таких уникальных ускорителей – нуклотрон Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ и созадющийся на его базе коллайдерный комплекс NICA. На возможности этих установок ученые возлагают большие надежды.

И если мы торопимся долететь до Марса, то либо пора строить более быстрые космические корабли, либо оставить пока мечты о пилотируемых полетах в дальнем космосе. Пусть роботы пока попутешествуют.