Магнитный пузырь может защитить астронавтов от опасной космической радиации

Люди давно мечтали побывать на Марсе или за его пределами, и успехи таких компаний, как SpaceX и Blue Origin, означают, что эта мечта может стать реальностью как никогда ранее. Но в настоящее время отправка астронавтов в длительные миссии к другим мирам невозможна из-за опасного уровня радиации в космосе, за пределами защитного магнитного поля Земли.

Однако новая концепция дает надежду на горизонте, и исследователи, стоящие за ней, получили финансирование от программы NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) на создание прототипа. Предложение под названием CREW HaT использует последние достижения в технологии сверхпроводящих магнитов для эффективной защиты космических кораблей - и находящихся в них астронавтов - от вредного космического излучения.

"Мы придумали новую идею, как защитить космические корабли от космической радиации и энергичного солнечного излучения", - говорит доктор Елена Д'Онхиа, доцент кафедры астрономии Университета Висконсон-Мэдисон и главный исследователь проекта CREW HaT. "Мы используем новую технологию сверхпроводящей ленты, развертываемую конструкцию и новую конфигурацию магнитного поля, которая ранее не исследовалась".  

HaT означает торус Хальбаха, который представляет собой круговой массив магнитов, создающий более сильное поле с одной стороны и уменьшающий поле с другой стороны. Д'Онхиа и его соавтор Паоло Дезиати из Висконсинского центра астрофизики частиц Icecube (WIPAC) разработали конструкцию легких, развертываемых, механически поддерживаемых магнитных катушек, активируемых новым поколением высокотемпературных сверхпроводящих лент, которые только недавно стали доступны.

"Такая конфигурация создает усиленное внешнее магнитное поле, отводящее частицы космического излучения, дополняемое подавленным магнитным полем в среде обитания астронавта", - пишет команда в своем реферате для NIAC.

"Предлагаемая нами геометрия создает магнитное поле снаружи космического корабля, но не внутри, поэтому астронавты не подвергаются облучению", - сказал Д'Онхиа в интервью Universe Today. "В предыдущих предложениях магнитное поле располагалось довольно близко к космическому кораблю, что создавало проблемы, поскольку магнитные поля могут генерировать потоки вторичных частиц, например, нейтронов, которые могут быть вредны для астронавтов. Наша концепция предполагает открытое магнитное поле, простирающееся в космос".

Д'Онхиа сказал, что их новая конфигурация создает усиленное внешнее магнитное поле, отводящее частицы космического излучения, дополненное подавленным магнитным полем в среде обитания астронавта. Команда считает, что их конструкция может отводить более 50% вредных для биологии космических лучей (протоны с энергией ниже 1 ГэВ) и высокоэнергетические ионы высокой Z энергии. Этого показателя будет достаточно для снижения дозы радиации, поглощаемой астронавтами, до уровня, составляющего менее 5% от установленного НАСА уровня избыточного риска смертности от рака в течение жизни.

Существует два типа радиации, которые создают проблемы для длительных полетов человека в космос. Первый - это солнечные энергичные протоны, которые появляются в виде всплесков после вспышек на Солнце. Второй - галактические космические лучи, которые, хотя и не так смертоносны, как солнечные вспышки, являются постоянным фоновым излучением, которому подвергается экипаж. На неэкранированном космическом корабле оба вида излучения могут привести к значительным проблемам со здоровьем или смерти экипажа.

На Земле магнитное поле нашей планеты отклоняет космические лучи, а дополнительная мера защиты обеспечивается нашей атмосферой, которая поглощает любое космическое излучение, проходящее через магнитное поле. Идея магнитного экранирования космических аппаратов заключается в том, чтобы космический аппарат взял с собой магнитное поле, эквивалентное земному. Но создание таких экранов, которые действительно работают и не являются непомерно тяжелыми, оказалось сложной задачей.

Проблема радиации в космосе известна давно, и Д'Онгия сказал, что было много идей и предложений по созданию экранов для космических аппаратов, начиная с конца 1960-х и начала 70-х годов.  Но до сих пор ничего не было осуществимо или экономически эффективно.  

Universe Today писал о нескольких предыдущих идеях по созданию экранов, включая одну, которая также получила финансирование NIAC в 2004 году. Инициатором этой концепции был бывший астронавт Джеффри Хоффман, однако в конечном итоге концепция не оправдала себя, и Хоффман сказал мне в 2006 году, что, несмотря на теоретические расчеты, они не смогли придумать убедительную конструкцию.

Но это не означает, что работа команды Хоффмана не была важной.

"Концепция Хоффмана была популярна в течение нескольких лет и, несомненно, представляет интерес и вдохновение", - сказал Д'Онхиа по электронной почте. "Например, мы все согласны с тем, что активное экранирование (например, искусственное магнитное поле) должно сочетаться с пассивным экранированием (материал, способный поглощать излучение), чтобы быть более эффективным. За последние десять лет изменилось мнение, что нам, вероятно, нужна другая конфигурация магнитного поля по сравнению с тем, что предлагалось ранее".

Когда команда Хоффмана рассчитывала свою концепцию, сверхпроводники были большими, громоздкими и труднодоступными для создания в космосе.

"В последние несколько лет появились сверхпроводники нового поколения (такие как ReBCO, который мы планируем использовать) с высокой критической температурой", - сказал Д'Онхиа. "Эти сверхпроводники очень легкие (они выглядят как лента) и менее дорогие, и могут стать настоящим "геймчейнджером" для этого проекта".

Предыдущие проекты, включавшие магнитные катушки, весили до 300 тонн каждая катушка. Д'Онхиа сказал, что их команда планирует использовать восемь катушек, и им удалось снизить вес катушек до 3 тонн каждая. Но они все еще работают над оптимизацией своей конструкции, что позволит им сделать грант от NIAC.

"Нам еще нужно уменьшить вес и поработать над использованием новых материалов", - сказал Д'Онхиа. "Это большая проблема, и мы планируем продолжать упорно работать, чтобы решить ее".