Радиация на Марсе: насколько всё плохо?

Интерес людей к Марсу серьезно вырос за последние несколько десятилетий. В дополнение к восьми активным миссиям, которые сейчас проходят на Красной планете или рядом с ней, к концу десятилетия на Марс отправится еще семь роботизированных модулей, марсоходов и орбитальных аппаратов. К 2030-м годам несколько космических агентств планируют развернуть пилотируемые миссии и на поверхности.

Кроме того, есть еще довольно много добровольцев, готовых отправиться на Марс в один конец, и людей, ратующих за превращение его в наш второй дом. Все эти предложения также обращают наше внимание на опасности, которые подстерегают людей на Марсе. Помимо холодной, сухой среды, отсутствия воздуха и гигантских песчаных бурь, есть также такой вопрос, как радиация.

Откуда на Марсе радиация?

У Марса нет защитной магнитосферы, как у Земли. Ученые считают, что в свое время в ядре Марса также были конвекционные потоки, создающие эффект динамо, который приводил в действие планетарное магнитное поле. Но примерно 4,2 миллиарда лет назад — видимо, из-за столкновения с крупным объектом или быстрого остывания ядра — этот эффект динамо исчез.

В результате в течение следующих 500 миллионов лет атмосфера Марса медленно улетучивалась при помощи солнечного ветра. Из-за потери магнитного поля и атмосферы, поверхность Марса подвергается воздействию гораздо более высоких уровней радиации, чем Земля. И в дополнение к постоянному воздействию космических лучей и солнечного ветра, вместе с солнечными вспышками Марс подвергается смертельным дозам стерилизующего излучения.

Как проходили исследования?

В 2001 году NASA отправило на Марс космический аппарат Mars Odyssey, оснащенный специальным инструментом MARIE (Martian Radiation Experiment), который должен был измерить уровень радиации вокруг Марса. Поскольку у Марса довольно тонкая атмосфера, радиация, зафиксированная Mars Odyssey, должна была быть практически такой же, как и на поверхности.

За 18 месяцев работы зонд Mars Odyssey обнаружил постоянную радиацию, уровень которой в 2,5 раза превышал уровень на Международной космический станции — 22 миллирад в день, или 8000 миллирад (8 Рад) в год. Космический аппарат также зафиксировал два солнечных протонных события, при которых уровень радиации поднимался до 2000 миллирад в день.

Для сравнения: люди в развитых странах подвергаются воздействию в среднем 0,62 Рад в год. И хотя исследования показали, что человеческий организм может выдержать дозу до 200 рад без каких-либо повреждений, длительное воздействие радиации марсианского уровня может привести ко всем видам проблем со здоровьем — острой лучевой болезни, повышенного риска развития рака, генетическим повреждениям и даже смерти.

Поэтому NASA и другие космические агентства придерживаются стратегии минимальных рисков при планировании миссий.

Возможные решения

Первым посетителям Марса определенно придется столкнуться с повышенным уровнем радиации на поверхности. Более того, любые попытки колонизировать Красную планету также потребуют мер для минимизации воздействия. Несколько решений уже имеется — как краткосрочных, так и долгосрочных.

К примеру, NASA поддерживает работу нескольких спутников, которые изучают Солнце, космическую среду по всей Солнечной системе и отслеживают галактические космические лучи в надежде обеспечить лучшее понимание солнечной и космической радиации. Также в агентстве занимаются поисками лучших вариантов экранирования астронавтов и электроники.

В 2014 году NASA запустило Reducing Galactic Cosmic Rays Challenge, интенсивный конкурс с призом в 12 000 долларов, которыми будут поощрены лучшие идеи по снижению воздействия на космонавтов галактических космических лучей. После первого конкурса в апреле 2014 года последовал еще один в июле с общим призовым уже в 30 000 долларов за идеи, связанные с активной и пассивной защитой.

Когда дело доходит до долгосрочного пребывания и колонизации, в прошлом всплывали еще несколько идей. Например, как предлагали Роберт Зубрин и Дэвид Бейкер в плане миссии Mars Direct, жилища можно строить прямо в земле, которая будет естественной защитой от радиации.

Предлагали также и создавать надувные модули, заключенные в керамике, созданной с помощью марсианского грунта. Этот план будет опираться на технику 3D-печати, известную как «спекание», когда песок превращается в расплавленный материал с помощью рентгеновских лучей.

MarsOne, некоммерческая организация, которая обещает колонизировать Марс в ближайшие несколько десятилетий, предлагает свой вариант защиты марсианских поселенцев от радиации. Организация предложила встроить экранирование в космический аппарат миссии, транспортное средство и жилой модуль. В случае солнечной вспышки, если защиты будет недостаточно, они предлагают создать специализированное радиационное убежище (расположенное в полой емкости для воды) внутри их Mars Transit Habitat.

Но самое радикальное предложение по снижению воздействия включает перезапуск ядра планеты для восстановления ее магнитосферы. Для этого нам нужно разжижить внешнее ядро, чтобы оно снова могло конвектировать вокруг внутреннего ядра. Собственное вращение планеты начнет создавать эффект динамо и магнитное поле будет генерироваться.

По словам Сэма Фактора, аспиранта с кафедры астрономии Университета штата Техас, есть два способа сделать это. Первый — взорвать серию термоядерных боеголовок вблизи ядра планеты, а второй — пропустить электрический ток через планету, производя сопротивление в ядре, которое будет разогреваться.

Учеными из Национального института наук синтеза (NIFS) в Японии в 2008 году было проведено исследование, в котором рассмотрели возможность создания искусственного магнитного поля вокруг Земли. Обнаружив, что за последние 150 лет интенсивность магнитного поля упала на 10%, они выступили за создание окружающих планету сверхпроводящих колец, которые могли бы компенсировать будущие потери.

С несколькими изменениями, такая система может быть адаптирована для Марса. Она будет создавать магнитное поле, которое может помочь экранировать поверхность от части вредоносной радиации. И если терраформаторы смогут создать на Марсе атмосферу, такая система также защитит ее от солнечного ветра.

Наконец, исследование, проведенное в 2007 году исследователями из Института минералогии и петрографии в Швейцарии, показало, как выглядит ядро Марса. Используя алмазную камеру, ученые смогли воспроизвести условия давления на железо-серные и железо-никель-серные системы, которые соответствуют центру Марса.

Они обнаружили, что при температурах марсианского ядра (порядка 1227 градусов по Цельсию), внутреннее ядро было бы жидким, но внешнее — слегка затвердевшим. Это сильно отличается от земного ядра, в котором отвердевание внутреннего ядра высвобождает тепло, которое сохраняет внешнее расплавленным, рождая таким образом эффект динамо и магнитное поле.

Отсутствие твердого внутреннего ядра на Марсе будет означать, что однажды жидкое внешнее ядро должно было иметь другой энергетический источник. Каким-то образом этот источник иссяк, и внешнее ядро затвердело, положив конец эффекту динамо. Однако их исследование также показало, что остывание планеты могло бы привести к отвердению ядра в будущем, поскольку либо богатые железом твердые вещества провалились бы в центр, либо сульфиды железа кристаллизовались бы в ядре.

Другими словами, ядро Марса однажды может стать твердым, нагревая внешнее ядро и расплавляя его. В сочетании с собственным вращением планеты, это будет вырабатывать эффект динамо, который однажды снова запустить магнитное поле планеты. Если это правда, то колонизация Марса и безопасное проживание на нем будет вопросов времени — нужно будет подождать, пока ядро кристаллизуется.

По-другому никак. В настоящее время радиация на поверхности Марса довольно опасна. Поэтому любые полеты на планету в будущем будут принимать во внимание радиационную защиту и контрмеры. И все, кто останется на Марсе надолго, должны будут либо закопаться глубже в землю, либо оградить себя от солнечных и космических лучей.

Но необходимость — мать изобретения, не так ли? И раз уж нам нужно начинать колонизировать другие миры, если мы хотим выжить как вид, нам придется прибегать к инновационным решениям.