Statki międzyplanetarne – Moduł Załogowy – Część 1

Jeszcze przed zakończeniem programu Apollo na deskach kreślarskich powstawały projekty statków międzyplanetarnych. Z reguły celem wypraw miał być Mars. W NASA uznawano to za logiczną kontynuację programu księżycowego. Historia potoczyła się jednak inaczej.

Program Apollo zakończono jak tylko spełnił swoją rolę propagandową. Statki Apollo zostały zastąpione rosnącą flotą wahadłowców kosmicznych, w założeniu wielokrotnego użytku, a w rzeczywistości wymagających kosztownych prac remontowych po każdym locie. Po programie Apollo człowiek już nie opuścił niskiej orbity okołoziemskiej, nie zbliżył się do Księżyca, nie mówiąc o opuszczeniu układu Ziemia – Księżyc by wejść na orbitę okołosłoneczną

Od początku XXI wieku słyszymy deklaracje NASA o powrocie na Księżyc lub planach lądowania na Marsie. O ile powoli krystalizują się plany dotyczące budowy bazy wokółksiężycowej, to generalnie deklaracje i koncepcje kolejnych misji eksploracyjnych zmieniają się jednak w rytm wymiany administracji USA lub nawet częściej. Idea podróży międzyplanetarnych jest używana w dyskusjach polityków i naukowców. Większość ludzi jednak ma dość mgliste pojęcie czego dokładnie potrzeba aby wysłać ludzi na Marsa, pozwolić im na prace naukowe na powierzchni planety i zapewnić im powrót na Ziemię.

Część ludzi automatycznie zakłada, że koszty wypraw międzyplanetarnych są zaporowe a niebezpieczeństwo dla astronautów śmiertelne. Moim zdaniem jest to schemat myślenia odziedziczony po okresie wyścigu na Księżyc. NASA w tamtym okresie podejmowała ryzyko znacznie większe, niż to publicznie przyznawała. Technologia pozwalałą na bardzo mały margines błędu, a czytając transkrypty wypraw księżycowych można zauważyć, że każda misja Apollo miała przynajmniej jeden moment, gdy życie astronautów lub jej powodzenie było zagrożone. Koszty również były ogromne, choć nie tak bardzo jak głosili krytycy.

Inni z kolei komentatorzy pozostają zaś nadmiernie optymistyczni i pomijają wiele czynników, które sprawiają, że wyprawy międzyplanetarne diametralnie się różnią od wypraw na Księżyc.

Założenia artykułu

W tym i następnych artykułach postaram się w uproszczeniu przybliżyć wymagania, które musi spełnić statek międzyplanetarny. Pierwszą niezbędną pozycją jest moduł załogowy statku – miejsce, gdzie załoga spędzi najdłuższą część ekspedycji. Postaram się zdefiniować moduł załogowy zdolny do użycia w różnych konfiguracjach (mikrograwitacja, sztuczne ciążenie za pomocą rotacji) i przy różnych szynach napędowych (napędy chemiczne, nuklearne rakiety termiczne, napędy elektryczne napędzane reaktorem jądrowym czy hybrydy dwóch ostatnich).

Aby określić masy, objętości i wymagania energetyczne poszczególnych podzespołów będę używał uproszczonych założeń, podlegających dyskusji. Konsekwentne korzystanie z nich pozwala jednak porównywać dostępne opcje projektowe i zidentyfikować decydujące czynniki dla powodzenia misji. .

Promieniowanie jonizujące

Najbardziej doraźnym i najmniej do tej pory zbadanym (mimo bogactwa literatury na ten temat) zagrożeniem dla astronautów jest promieniowanie jonizujące. Na Ziemi i na niskiej orbicie okołoziemskiej jego wpływ jest ograniczony dzięki magnetosferze naszej planety, która odchyla naładowane cząstki, a część czasowo przechowuje w pasach radiacyjnych odkrytych na początkach ery kosmicznej przez Jamesa van Allena. Same pasy radiacyjne są niebezpieczne, ale nie mają większego wpływu na podróże międzyplanetarne.

Promieniowanie jonizujące dzieli się na dwie kategorie: promieniowanie elektromagnetyczne (daleki ultrafiolet, promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie gamma) i cząsteczkowe. Promieniowanie cząsteczkowe z kolei dzieli się na bardzo powszechne w kosmosie jony atomów oraz promieniowanie neutronowe. To ostatnie nie jest zbyt ważne w kontekście promieniowania kosmicznego (z wyjątkiem produkcji niewielkiej ich ilości podczas prób osłony przed promieniowaniem kosmicznym). Neutrony są jednak kluczowym czynnikiem przy rozważaniu napędów jądrowych i reaktorów.

Najbardziej powszechna w otwartym kosmosie forma promieniowania to jony atomów rozpędzone do dużych prędkości. Jony te wchodząc w interakcje z materią zwalniają całkowicie lub częściowo w trakcie wielokrotnych zderzeń z jej atomami. Skutki tych zderzeń są różnorodne. Część energii kinetycznej jest uwalniana jako promieniowanie rentgenowskie lub gamma. Atomy napromieniowanego ciała wprawiane są w drgania (wzrost temperatury). Wiązania chemiczne w cząsteczkach są rozbijane, a im większa molekuła, tym jest to łatwiejsze. Najlepszym przykładem są molekuły białek – dlatego promieniowanie kosmiczne jest tak szkodliwe dla organizmów żywych.

Skutki napromieniowania organizmów żywych można podzielić na ostre i chroniczne. Kiedy organizm pochłania w krótkim czasie dużą dawkę promieniowania skutkiem jest choroba popromienna (reakcja ostra). Symptomy mają zakres od mdłości do jednego z najgorszego z istniejących rodzajów śmierci. Próby ratowania ofiary ciężkiej choroby popromiennej wymagają heroicznych wysiłków i pełnego wyposażenia specjalistycznego szpitala. Nie jest to jednak coś, co będzie w najbliższym czasie dostępne na pokładzie statku kosmicznego, dlatego projektując przedział załogowy należy dołożyć wszelkich starań aby uniknąć choroby popromiennej.

Napromieniowanie, niezależnie czy doprowadziło ono do choroby popromiennej czy nie, nie jest obojętne dla organizmu. Chronicznym skutkiem promieniowania jest zwiększona szansa zachorowań na nowotwory spowodowana uszkodzeniami DNA. Agencje kosmiczne mają wyznaczone limity skumulowanej dawki jaką może astronauta pochłonąć w przedziale miesięcznym, rocznym i zanim będzie zmuszony zakończyć karierę.

Należy zwrócić uwagę, że jedynymi ludźmi, którzy odbyli podróż poza magnetosferę Ziemi, byli astronauci programu Apollo. Ich podróże trwały od około tygodnia do dwunastu dni. Nie jest to duża grupa ani długi okres ekspozycji na środowisko przestrzeni międzyplanetarnej. Trzeba oddać też sprawiedliwość środowiskom naukowym, że od tamtych czasów nastąpił bardzo duży postęp w technikach komputerowej symulacji wpływu promieniowania na organizmy i sposobów w jaki jest ono rozpraszane, blokowane i pochłaniane przez materię. Jednak należy również zwrócić uwagę, że proponowana przez NASA okołoksiężycowa stacja Gateway jako jeden z celów stawia sobie badanie wpływu promieniowania kosmicznego na ludzi. Innymi słowy astronauci będący załogą stacji będą ryzykowali chorobę popromienną i nowotwory aby poszerzyć naszą wiedzę na ten temat. Nie jest to propozycja która spotyka się z powszechną aprobatą. W jednym z wystąpień pod koniec 2018 roku Robert Zubrin sugerował że stację Gateway należy po prostu osłonić przed promieniowaniem wystarczająco grubą osłoną przeciwpromienną. Jest to rozsądne podejście pod warunkiem, że dysponujemy bardzo tanim dostępem na wokółksiężycową orbitę lub przemysłową infrastrukturę, korzystającą z planetoid jako źródła surowców. W tej jednak chwili osłony przeciwpromienne muszą być tak lekkie, jak tylko możliwe. Nie jest to łatwe zadanie

Dawki promieniowania – jednostki i sposób analizy

Podstawową współczesną jednostką dawki promieniowania jest Grey (skrót Gy). Dawka jednego 1Gy oznacza pochłonięcie 1 Joula energii przez 1 kg masy. Jednostki tej używa się określając doraźną dawkę promieniowania, aby sprawdzić jak bardzo dotkliwa będzie ostra reakcja czyli choroba popromienna. Dotyczy to sytuacji, kiedy organizm jest wystawiony na intensywne promieniowanie w krótkim czasie (minuty, godziny, do jednego dnia).

Dawki chroniczne mierzone są w Sievertach (skrót Sv). Każda dawka promieniowania wyrażona w Greyach jest mnożona przez współczynniki jakości oznaczane zwykle literą Q. Współczynniki Q zależne są od rodzaju promieniowania (elektromagnetyczne, jony czy neutrony), jak i wrażliwości napromieniowanego organu. Promieniowanie elektromagnetyczne (rentgenowskie i gamma) ma zwykle współczynnik jakości wynoszący około 1. Jony i neutrony mają wyższe współczynniki jakości Q (2 do około 10). Tak określona dawka pozwala przewidzieć z mniejszą lub większą pewnością o ile wzrośnie prawdopodobieństwo zachorowania na nowotwór wywołany promieniowaniem.

Chciałem w tym momencie zaznaczyć, że powyższe definicje są bardzo uproszczone. Jak wspomniałem wyżej, zagadnienie doraźnych i długofalowych skutków promieniowania jonizującego na organizmy żywe jest wciąż rozwijającą się gałęzią medycyny. Sama natura promieniowania i sposób w jaki oddziałuje ono na materię (osłony przeciwpromienne, elementy statku, elektronikę i astronautów) również jest skomplikowanym zagadnieniem. Poniżej wymienię tylko kilka komplikacji z jakimi trzeba się liczyć projektując osłony przeciwpromienne:

• Zarówno promieniowanie elektromagnetyczne jak i cząsteczkowe nie jest jednorodne. W przypadku promieniowania elektromagnetycznego mamy do czynienia z fotonami o różnych energiach (najniższe dla dalekiego ultrafioletu, rosnąc przez promieniowanie rentgenowskie i osiągając najwyższe energie dla promieniowania gamma). Energia fotonu promieniowania decyduje w dużej mierze o jego przenikliwości (czyli jak trudno jest go zatrzymać przy przechodzeniu przez przeszkodę). Spotykane naturalnie strumienie cząstek naładowanych czy neutrony emitowane przez reaktory jądrowe również mają szeroki zakres prędkości. Energia kinetyczna danej cząstki będzie decydowała, czy i w jaki sposób odda ona swoją energię przechodząc przez przeszkodę. Nie są to zawsze związki oczywiste. Na przykład stosunkowo powolne neutrony mają współczynnik jakości Q około 10 przy określaniu dawki chronicznej. Powolny ruch neutronu przez ciało pozwala na większą liczbę zderzeń, więc oddaje on większość swojej energii, powodując ciężkie szkody. Z kolei masywne jądra atomowe rozpędzone do prędkości relatywistycznych (składnik promieniowania kosmicznego) mają Q w okolicy 1 to 1.5. Jest to spowodowane ich bardzo wysoką przenikliwością – przechodzą one przez ciało błyskawicznie, nie mając zbyt wielu okazji do zderzeń. Tym samym nie oddają za dużo ze swojej energii kinetycznej.

• Źródła promieniowania mają swoje unikalne charakterystyki. Jest to wyrażone spektrum energetycznym, czyli wykresem, gdzie na osi X mamy zakresy energii cząstek czy fotonów a na osi Y liczbę cząstek należących do danego zakresu energii, która w określonym czasie przelatuje przez wyznaczoną objętość lub płaszczyznę. Każdy zakres energetyczny będzie reagował w różny sposób z różnymi materiałami. Jedyną stałą jest zasada: im większa energia pojedynczej cząstki (a nie ich sumy) tym większa przenikliwość. Wykres poniżej przedstawia spektrum energetyczne kilku najsilniejszych burz słonecznych używanych jako punkt odniesienia przy projektowaniu osłon przeciwpromiennych. Podobne wykresy można sporządzić dla promieniowania kosmicznego, danego rejonu pasów radiacyjnych planety czy działającego reaktora jądrowego. Wyrażenie właściwości danego źródła promieniowania jedną wartością (np. intensywnością w W/m2) nie jest możliwe a próby uśrednień prowadzą do grubych błędów w obliczeniach dawki.

• Dobór materiałów do osłon przeciwpromiennych jest niezmiernie ważny i zależny od rodzaju promieniowania przed jakim zamierzamy się chronić. Promieniowanie elektromagnetyczne jest zatrzymywane w prawie jednakowym stopniu zależnym od grubości osłony wyrażonej w kg/m2. Cząstki naładowane z kolei wchodzą w zderzenia z atomami przeszkody za pośrednictwem pól elektrostatycznych (reakcja dodatnio naładowanego jonu z zewnętrznymi powłokami elektronowymi atomów celu). Pobudzone atomy celu oddają energię uzyskaną w zderzeniu jako promieniowanie (tzw Bremsstrahlung czyli ‘promieniowanie hamowania’). Im gwałtowniejsze zderzenie tym większa energia fotonu. Tym samym próba osłonienia się przed strumieniem cząstek naładowanych za pomocą gęstych metali (ołów, stal i.t.p.) spowoduje, że cząstki zostaną wyhamowane, ale ich energia przejdzie przez osłonę jako promieniowanie rentgenowskie lub w skrajnych przypadkach promieniowanie gamma. Dlatego przy projektowaniu osłon chroniącym przed cząstkom naładowanym, jako zewnętrzną warstwę osłony zaleca się materiały bogate w wodór. Duża liczba lekkich jąder atomowych z którymi zderzają się cząsteczki promieniowania produkuje o wiele więcej zderzeń, z których każde następne jest mniej energetyczne. Tym samym ‘promieniowanie hamowania’ nie jest do tego stopnia szkodliwe. Neutrony są obojętne elektrycznie, więc nie wchodzą w interakcje z powłokami elektronowymi atomów przeszkody. Aby je zatrzymać należy postawić na ich drodze jak największą liczbę atomów (liczy się liczba jąder atomowych na jednostkę objętości). Dobrym przykładem materiału zatrzymującego skutecznie neutrony jest wodorek litu (LiH2).

Jak widać próby określenia dawki promieniowania otrzymywanej za daną osłoną jest trudnym zadaniem. Podczas pracy nad tym artykułem korzystałem z zestawu narzędzi on-line ‘OLTARIS’. Umożliwia on określenie dawki promieniowania kosmicznego oraz będącego wynikiem burz słonecznych za definiowalnymi, wielowarstwowymi osłonami i używając cyfrowego fantomu ciała ludzkiego określenie napromieniowanie poszczególnych organów. Każdy z organów ma określoną wagę (najwyższą dla organów krwiotwórczych) określającą jego wrażliwość na promieniowanie.

Podczas rzeczywistego procesu projektowego statku kosmicznego nie tylko ludzkie ciało jest reprezentowane jako trójwymiarowy, złożony model komputerowy. Sam statek kosmiczny jest również modelowany w celu określenia interakcji promieniowania z elementami wewnętrznego wyposażenia na okoliczność osłony, promieniowania hamowania i dodatkowych kaskad cząstek naładowanych i neutronów wyzwalanych podczas uderzeń ciężkich i szybkich jąder promieniowania kosmicznego.

Symulacje komputerowe są potężnym narzędziem. Aby korzystać z nich w pełni potrzebne są jednak dodatkowe dane obserwacyjne spektrów energetycznych promieniowania z sond kosmicznych, jak również lepsze zrozumienie wpływu promieniowania na organizm ludzki (w celu określenia wag dawki dla poszczególnych organów).

Dopuszczalne chroniczne dawki promieniowania

Dopuszczalne dawki promieniowania dla astronautów są jasno określone tylko dla niskiej orbity okołoziemskiej. Raport amerykańskiej National Council on Radiation Protection and Measurements (NCRP) numer 138 definiuje dopuszczalne dawki w skali rocznej, miesięcznej i w skali całej kariery astronauty. Dawki te uzależnione są zarówno od płci, jak i wieku. Generalnie osoby starsze mają większe dopuszczalne dawki całkowite z powodu wolniejszego metabolizmu, który spowalnia rozwój nowotworów (w dużym uproszczeniu).

• Maksymalna dawka 30 dniowa wynosi 0.25Sv
• Maksymalna dawka roczna wynosi 0.50Sv

Dawki całkowite kończące karierę astronauty są zdefiniowane w poniższej tabeli:

Należy zaznaczyć, że wspomniana potrzeba dokładniejszych badań skutków biologicznych skłania niektórych badaczy do sugerowania mnożenia obliczonych dawek promieniowania przez około 3.5 aby osiągnąć 95% pewności, że zwiększone ryzyko zachorowania na raka nie przekroczy ustalonych wartości. Oznaczałoby to efektywnie zakończenie załogowych programów kosmicznych do czasu dokładniejszego poznania skutków promieniowania kosmicznego na organizm ludzki.

Taka ‘logika’ zdaje się być dość wątpliwa, ale nie jest zaskakująca. Media niespecjalistyczne słysząc ‘zwiększone ryzyko’ mają zwyczaj ‘pomylić się’ się i pisać sensacyjne doniesienia o ‘śmiertelnym ryzyku’. Należy też pamiętać, że programy kosmiczne były i będą związane z polityką, a politycy nie chcą być kojarzeni z umierającymi na nowotwory astronautami.

Bardzo bogata literatura na temat ryzyka związanego z radiacją zwraca też uwagę, że tego rodzaju podejście nie akceptuje realiów eksploracji kosmosu. Jest to niebezpieczne przedsięwzięcie i nawet najbardziej zaawansowana technologia nie uczyni go wolnym od ryzyka. Zwiększona szansa zachorowania na nowotwór nie jest największym zagrożeniem dla astronautów. Istnieją o wiele większe niebezpieczeństwa. Kilka z nich zostanie wymienione w tym i następnych artykułach i dotyczą one tylko jednego z komponentów statku – modułu załogowego.

Choroba popromienna

Jednym z doraźnych zagrożeń dla życia astronautów jest choroba popromienna wywołana wchłonięciem dużej dawki promieniowania w krótkim okresie czasu. W tym przypadku nie musimy się martwić o niepewność statystyczną reakcji organizmu w 20 lat po zakończeniu misji. Skutki intensywnego napromieniowania są widoczne prawie natychmiast. Po nich następuje faza uśpiona i kolejna, bardziej długotrwała seria symptomów. Poniżej znajduje się krótkie zestawienie skutków dawki ostrej wyrażonej w Greyach.

• Do 0.5Gy. Nie ma widocznych skutków oprócz niewielkich zmian w krwi i braku apetytu przez jakiś czas. Brak zagrożenia życia.
• 0.5Gy do 1.0 Gy. Natychmiastowymi skutkami są mdłości i wymioty u niewielkiego procenta napromieniowanych. Innym powszechnym symptomem jest poczucie zmęczenia. W kilka do kilkunastu dni po napromieniowaniu można zauważyć zmiany we krwi: spadek ilości białych krwinek i płytek krwi i niewielki spadek ilości czerwonych krwinek. W górnej krawędzi tego przedziału dawek następuje obniżenie odporności organizmu na zakażenia, możliwość czasowej bezpłodności u mężczyzn i u niewielkiego procenta napromieniowanych uporczywe mdłości. Pełen powrót do zdrowia może trwać nawet kilka miesięcy. Nadal nie ma bezpośredniego zagrożenia życia.
• 1.0Gy do 2.0Gy. Skutki bezpośrednie są jak dla poprzedniego przedziału dawki, ale występują u większego procenta napromieniowanych, wzmaga się też ich dotkliwość. Faza uśpiona trwa około dwóch tygodni, podczas których porażone organy krwiotwórcze nie nadążają z uzupełnianiem strat w obumierających naturalnie komórkach krwi. Po upływie tego czasu dają o sobie znać symptomy takie jak: brak apetytu, bóle głowy i zmęczenie. Istnieje również niewielka szansa na czasową utratę włosów. Osłabiony układ odpornościowy i zmniejszona liczba płytek krwi powoduje, że rany goją się wolniej i wzrasta ryzyko zakażenia. Szansa utraty życia w wyniku tej dawki to około 10%. Można przypuszczać, że dotyczy to ofiar z istniejącymi problemami zdrowotnymi.
• 2.0Gy do 3.5Gy. Kilka godzin po napromieniowaniu powszechne są mdłości i wymioty jak również krwawienie podskórne i z ust oraz brak apetytu i biegunka. Faza uśpiona trwa od tygodnia do dwóch (przy niższych dawkach z tego przedziału). Następnie symptomy wracają ze zwiększoną siłą. Dość częsta jest również utrata owłosienia. Możliwe jest również krwawienie z nerek objawiające się krwią w moczu. Niedobór białych krwinek jest wystarczająco duży aby wcześniej niegroźne infekcje zaczęły zagrażać życiu. Kolejnym niebezpiecznym czynnikiem są biegunki powodujące odwodnienie oraz niezdolność utrzymania pokarmu, co powoduje jeszcze większe osłabienie w obliczu infekcji. Możliwa jest całkowita i nieodwracalna bezpłodność. Z powodu wyżej wymienionych symptomów możliwość utraty życia wynosi około 30-40%. Powrót do zdrowia trwa kilka miesięcy.
• 3.5Gy do 5.5Gy. Tak jak w przypadku poprzedniego przedziału dawek po napromieniowaniu występują wymioty, mdłości, biegunka i krwawienie. Dodatkowo zaczyna pojawiać się gorączka. Symptomy zaczynają się nie dłużej, niż godzinę po otrzymaniu dawki. Okres uśpiony jest krótszy, około tygodnia lub trochę dłużej. Po tym czasie zaczynają się ujawniać skutki pełnego porażenia organów krwiotwórczych. System odpornościowy jest prawie nieczynny, co stanowi poważne zagrożenie życia, pojawia się skłonność do krwotoków wewnętrznych i zewnętrznych. Wszystkie symptomy wymienione dla mniejszych dawek są o wiele bardziej dotkliwe. Prawdopodobieństwo śmierci wynosi około 50%. Zgon następuje w około 6 tygodni od napromieniowania. Ofiary, które przeżyją dochodzą do siebie miesiącami, a pełen powrót do zdrowia może zająć powyżej roku.
• Powyżej 5.5Gy. Powyżej tej dawki prawdopodobieństwo śmierci rośnie lawinowo, osiągając prawie 100% śmiertelności przy około 10Gy. Po organach krwiotwórczych ulega zniszczeniu układ trawienny i w końcu nerwowy. Przy ekstremalnej dawce 80Gy układ nerwowy jest natychmiast porażony i ofiary zapadają w śpiączkę, z której się nie budzą.

Jak widać choroba popromienna stanowi bezpośrednie, jasno zdefiniowane zagrożenie dla astronautów. Moim zdaniem szanse śmierci w jej wyniku będą dla astronautów wyższe, niż z powodu braku pełnowartościowego sprzętu medycznego na pokładzie statku międzyplanetarnego, jak i braku wykwalifikowanej kadry medycznej. Jest oczywiste że jeden z członków załogi będzie lekarzem, a wszyscy pozostali będą przeszkoleni na poziomie co najmniej ratownika medycznego. Nie wydaje mi się to jednak wystarczające dla zapewnienia opieki i pomocy ofierze ciężkiej choroby popromiennej. Zwłaszcza, że ofiarą jej może stać się również jedyny lekarz na pokładzie.

Galaktyczne promieniowanie kosmiczne (GCR)

Jednym z dwóch głównych źródeł promieniowania jonizującego grożącego załodze statku międzyplanetarnego jest galaktyczne promieniowanie kosmiczne (z angielskiego Galactic Cosmic Rays, w skrócie GCR).

Jest to promieniowanie pochodzące spoza naszego układu słonecznego. Jego przeważającym ilościowo składnikiem są protony, natomiast największą część jego energii niosą odarte z elektronów ciężkie jądra atomowe. Zarówno bardzo duże prędkości cząstek, jak i obecność jonów ciężkich pierwiastków sugeruje, że głównym źródłem promieniowania GCR są wybuchy supernowych, podczas których powstają tego typu cząstki.

Jednym z najbardziej charakterystycznych cech tego typu promieniowania jest jego wielka przenikliwość. Frakcja ciężkich jonów wymaga wielu tysięcy kilogramów materii na metr kwadratowy osłony, aby zatrzymać zauważalną porcję promieniowania. Jak wspomniano wcześniej może być to nie do końca pożądane, gdyż zahamowane ciężkie jony zamienią swoją energię na twarde promieniowanie rentgenowskie i gamma, które jest również bardzo przenikliwe. Dodatkowym efektem takiego hamowania GCR będą drugorzędne kaskady cząstek atomowych i jonów w wyniku reakcji jądrowych podczas zderzeń.

Mówiąc krótko przed promieniowaniem GCR bardzo ciężko się osłonić i próby nie zawsze osiągną pożądany skutek. Dobrą wiadomością jest, że sumaryczne dawki GCR są niewielkie i są głównym składnikiem dawki chronicznej. Druga dobra wiadomość jest taka, że magnetosfera Słońca oddziaływuje na promieniowanie GCR (zwłaszcza na jego mniej energetyczną frakcję składającą się z protonów) i podczas maksimum słonecznego dawki GCR spadają 2-3 razy. Podczas minimum aktywności słońca magnetosfera kurczy się, a promieniowanie GCR ma bardziej swobodny dostęp do wnętrza Układu Słonecznego. W tym okresie dawki osiągają największe wartości.

Dla potrzeb projektowania osłon przeciwpromiennych naszego hipotetycznego modułu załogowego będziemy używać ostatnio zarejestrowanych minimów i maksimów słonecznych. Wartości te przeskalujemy tak, aby osiągnąć dawkę podczas maksimum słonecznego GCRmax=0.35Sv na rok i odpowiednio dla minimum słonecznego GCRmin=0.8Sv na rok. Odpowiada to wyższym, zanotowanym historycznie dawkom. Jeden 11-letni cykl aktywności słonecznej potrafi znacząco różnić się od drugiego – ostatnio zanotowane dawki GCRmin były na poziomie 0.5Sv na rok.

Zważywszy, że część wag jakościowych Q dla organów ciała przy określaniu dawki chronicznej jest zawyżana z powodu braku pewności co do rzeczywistego ryzyka nowotworów ustalmy jako limit projektowy maksymalną dawkę chroniczną na poziomie 110% dawki wymienionej w NCRP-138. Tym samym maksymalna dawka 30 dniowa wynosi 0.25Sv*1.1=0.275Sv a maksymalna dawka roczna 0.5Sv*1.1=0.550Sv.

Burze słoneczne (SPE)

Drugim i poważniejszym zagrożeniem dla astronautów są burze słoneczne. Normalny wiatr słoneczny, składający się z protonów i elektronów, jest stosunkowo niegroźny. Skafander kosmiczny czy cienki kadłub blokuje większość niewielkiej dawki takiego promieniowania.

Podczas okresów maksymalnej aktywności słonecznej (wtedy kiedy dawki GCR są najmniejsze) na Słońcu dochodzi do rozbłysków i wyrzutów masy. Wtedy gęstość i energia kinetyczna cząstek wiatru słonecznego rośnie o kilka rzędów wielkości i stanowi poważne zagrożenie zarówno dla astronautów jak i dla sprzętu. Zjawiska takie zwane są burzami słonecznymi (po angielsku Solar Proton Event, skrót SPE). Mogą one trwać od kilku godzin do kilku dni. Dawki ostre bez żadnych osłon są całkowicie wystarczające, żeby przyprawić astronautę o śmiertelną chorobę popromienną, jeśli znajduje się w tym czasie w otwartej przestrzeni kosmicznej. Każda burza słoneczna ma różne spektra energetyczne, dodatkowo zmieniające się w czasie. Trzeba dodatkowo wspomnieć, że intensywność dawek SPE maleje ze wzrastającą odległością od Słońca (odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości).

Podczas projektowania będziemy używać 4x dawki burzy słonecznej z 1972 roku w odległości 1 jednostki astronomicznej od Słońca. Jest to wielkość używana dość powszechnie w literaturze źródłowej, a używany przy projektowaniu zestaw narzędzi online OLTARIS udostępnia spektrum energetyczne tego SPE. Dawka ostra bez osłony wynosi 2.7Gy, co stwarza poważne zagrożenie dla życia. Dawka chroniczna wynosi 18.8Sv, co pozwala zakładać, że ofiara dodatkowo dostanie choroby nowotworowej nie być może tylko na pewno i nie za kilka lat tylko w przeciągu miesięcy. W połączeniu z osłabieniem po chorobie popromiennej jest to prawie pewny wyrok śmierci na pokładzie statku międzyplanetarnego.

Ogólny pokrój modułu załogowego.

Aby ustalić grubość i umiejscowienie osłon przeciwpromiennych musimy dysponować zgrubną geometrią modułu załogowego i masą wyposażenia. Aby nie odciągać uwagi czytelnika od problemu projektowania osłon przeciwpromiennych elementy wyposażenia i ogólne wymiary podam gotowe. Następny artykuł zajmie się szczegółowym wytłumaczeniem skąd wzięły się poszczególne masy i objętości. Grubości osłonowe poszczególnych warstw habitatu będą wyrażone w kilogramach na metr kwadratowy. Możemy wyszczególnić następujące warstwy (licząc od zewnątrz):

1. Zewnętrzna osłona przeciwpromienna zbudowana z wymienialnych paneli ze specjalistycznego plastiku. Aby panele pełniły dodatkowo funkcję osłony przed meteorytami i izolacji cieplnej, zakładam materiał zbliżony składem chemicznym do polietylenu, ale w formie piany utwardzonej zewnętrznie warstwą żywicy. Powinno to być dobrą osłoną przed promieniowaniem złożonym z cząstek naładowanych (protonów podczas burz słonecznych czy lżejszej frakcji promieniowania GCR). Dokładna grubość tej osłony jest do ustalenia.
2. Ściana zewnętrznego zbiornika ciśnieniowego. Aluminium grubości 7.35mm, grubość osłony 20.65kg/m2
3. Strefa wyposażenia i zapasów. W celu maksymalnego wykorzystania masy modułu załogowego wewnętrzną powierzchnię zbiornika ciśnieniowego wykorzystuje się do montażu systemów podtrzymywania życia, zapasów żywności, wody i gazów atmosferycznych. Stanowią one dodatkową, i jak zobaczymy później, znaczącą osłonę przed promieniowaniem. Nie pociąga to za sobą dodatkowych kosztów masy gdyż wszystko to jest niezbędne do utrzymania załogi przy życiu. Strefa wyposażenia jest grubości 220mm i ma średnią gęstość 504kg/m3. Sumaryczna grubość osłonowa tej warstwy wynosi zatem 504*0.22=111kg/m2. W celu w miarę dokładnej symulacji tej strefy w pakiecie OLTARIS powyższa grubość osłonowa została rozbita na kilka pośrednich warstw z różnych materiałów, proporcjonalnie do masy poszczególnych składników i zapasów. Sprzęt został przedstawiony jako warstwy stali (75%) i plastiku (25%). Zapasy żywności i składowanych odpadów organicznych (wciąż przydatnych w charakterze osłony) przedstawione zostały jako tkanka żywa z racji na podobny skład chemiczny. Dokładne zestawienie przedstawia się następująco:

• Stal 17.08kg/m2 + polietylen 5.69kg/m2
• Woda 20.2kg/m2 + powietrze 6.13 kg/m2
• Tkanka 12.75kg/m2
• Powietrze 6.13kg/m2 + woda 20.2 kg/m2
• Polietylen 5.69kg/m2 + Stal 17.08kg/m2

4. Wnętrze modułu załogowego. Przedstawia 1.82m wolnej przestrzeni mieszkalnej. Jest to pozycja w połowie drogi między strefą wyposażenia i centrum modułu. Średnia gęstość tego obszaru wynosi 20.43kg/m3. Tym samym grubość osłonowa wynosi 20.43kg/m3*1.82m=37.25kg/m2. Ponownie jak w strefie wyposażenia, grubość ta jest rozbita proporcjonalnie do masy wewnętrznego wyposażenia modułu i mieszanki atmosferycznej. Dokładne zestawienie przedstawia się następująco:

• Polietylen 8.76kg/m2 + Powietrze 1.10 kg/m2
• Aluminium 17.53kg/m2
• Powietrze 1.10kg/m2 + Polietylen 8.76kg/m2

5. Zewnętrzna osłona schronu burzowego. Schron burzowy umieszczony jest w centrum modułu załogowego i mieści prywatne (bardzo ciasne) kwatery astronautów, jak również wrażliwe na promieniowanie komputery sterujące, i mostek statku z kojami przeciwprzeciążeniowymi używanymi podczas odpaleń silnika. Podczas burz słonecznych lub działania napędu jądrowego załoga musi schronić się w tym miejscu. Poza tym 1/3 doby czyli okres snu również spędzana jest w schronie burzowym, więc dawka chroniczna stanowi 1/3 dawki w lepiej chronionym obszarze centralnym + 2/3 dawki w zewnętrznym obszarze habitatu. Materiał osłonowy – wysokiej gęstości polietylen. Dokładna grubość tej osłony jest do ustalenia.

6. Ściana zbiornika ciśnieniowego schronu burzowego. Zakładamy 30kg/m2 aluminium.

Zewnętrzny zbiornik ciśnieniowy modułu załogowego ma pokrój cylindra o średnicy 7.75m i długości 9.45m. Zbiornik ciśnieniowy schronu burzowego ma średnicę 3.9m i długość 5m.

Opcje osłon przeciwpromiennych

Wszystkie powyższe informacje pozwalają na próbę określenia grubości osłony całego modułu załogowego i wewnętrznego schronu burzowego. Określone również zostały powierzchnie zewnętrzne obydwu cylindrów, więc uzyskanie masy osłon jest prostą kwestią przemnożenia powierzchni [m2] i grubości osłony [kg/m2]. W pakiecie OLTARIS przebadałem (oprócz wielu innych) następujące opcje:

• Brak osłony. Punkt odniesienia będący sytuacją w której astronauta jest kompletnie nieosłonięty przed promieniowaniem

• Opcja 1. Grubość osłony zewnętrznej 75kg/m2 (masa 75kg/m2*323.2m2=24240kg). Osłona schronu burzowego 85kg/m2 (masa 85kg/m2*85.15m2=7238kg). Ta opcja jest próbą spełnienia wymagań NCRP-138. Masa całkowita osłon 24240+7238=31478kg.

• Opcja 2. Grubość osłony zewnętrznej 50kg/m2 (masa 50kg/m2*323.2kg/m2=16160kg). Osłona schronu burzowego 105kg/m2 (masa 105kg/m2*85.15m2=8940kg). Następna iteracja stara się utrzymać podobną sumę grubości osłonowych poprzez zmniejszenie grubości zewnętrznej osłony o dużej powierzchni i odpowiednie zwiększenie grubości osłony schronu, który ma 3.8 raza mniejszą powierzchnię zewnętrzną. Masa całkowita osłon 16160+8940=25100kg.

• Opcja 3. Grubość osłony zewnętrznej 25kg/m2 (masa 25kg/m2*323.2kg/m2=8080kg). Osłona schronu burzowego 130kg/m2 (masa 130kg/m2*85.15m2=11070kg). Iteracja posługująca się podobną logiką jak poprzednia. Przenosimy 25kg/m2 z osłony zewnętrznej na wewnętrzną. Masa całkowita osłon 8080+11070=19150kg.

• Opcja 4. Grubość osłony zewnętrznej 10kg/m2 (masa 10kg/m2*323.2kg/m2=3232kg). Osłona schronu burzowego 135kg/m2 (masa 135kg/m2*85.15m2=11495kg). Masa całkowita osłon 3232+11495=14727kg.

• Opcja 5. Grubość osłony zewnętrznej 10kg/m2 (masa 10kg/m2*323.2kg/m2=3232kg). Osłona schronu burzowego 70kg/m2 (masa 70kg/m2*85.15m2=5960kg). Ta opcja zachowuje minimalną osłonę zewnętrzną i obniża do połowy grubość osłony wewnętrznej żeby sprawdzić jak daleko da się odchudzić osłony. Masa całkowita osłon 3232+5960=9192kg.

• Opcja 6. Brak dodatkowych osłon zewnętrznych i wewnętrznych, zachowujemy jednak Warstwę 3 (wyposażenie i zapasy) i Warstwę 6 (zbiornik ciśnieniowy schronu burzowego). Ta opcja ma za zadanie pokazać, co stanie się z załogą w nieosłoniętym statku międzyplanetarnym.

• Opcja 7. Brak osłon zewnętrznych i wewnętrznych, usuwamy również Warstwę 3 (wyposażenie i zapasy) i Warstwę 6 (zbiornik ciśnieniowy schronu burzowego). Ta opcja ma za zadanie pokazać, jak bardzo lekkie pojazdy typu dzisiejszych kapsuł załogowych nie sprawdziłyby się poza magnetosferą Ziemi, zwłaszcza podczas dłuższych wypraw.

Wyniki analizy OLTARIS dla powyższych opcji zebrane są w poniższej tabeli.

Uwaga 1: Dawki cząstkowe uzyskane w OLTARIS używając maksimum słonecznego z roku 2001 i minimum słonecznego z roku 2010.
Uwaga 2: Dawki GCR dla sum kontrolnych są przemnożone przez 8/5 aby zasymulować bardziej niebezpieczne poziomy promieniowania z poprzednich cyklów słonecznych.
Uwaga 3: Z racji na umieszczenie pokładu sypialnego wewnątrz schronu burzowego sumy kontrolne GCR są obliczane przy założeniu 1/3 czasu w schronie (8 godzin snu na dobę) i 2/3 czasu w zewnętrznych objętościach habitatu.
Uwaga 4: Zakłada się że podczas trwania burzy słonecznej załoga przebywa w schronie – używa się wartości SPEs.
Uwaga 5: Dawka dla burzy słonecznej jest określona w OLTARIS jako czterokrotna dawka burzy słonecznej z października 1972 roku. Dawki doraźne wyrażone w Greyach są efektywną dawką chroniczną pomnożoną przez stosunek dawki doraźnej do chronicznej dla uproszczonego modelu
punktowego.
Uwaga 6: Sumy kontrolne zdefiniowane są następująco:
R1 roczna dawka chroniczna podczas minimum słonecznego. Nie zakłada się burz słonecznych:
R1=(8/5)[(1/3)GCRmins+(2/3)GCRminh] < 0.55Sv
R2 roczna dawka chroniczna podczas maksimum słonecznego i jedna dawka chroniczna pochodząca ze zdefiniowanej wyżej burzy słonecznej: R2=(8/5)[(1/3)GCRmaxs+(2/3)GCRmaxh]+SPEs < 0.55Sv
M1 Dawka miesięczna będąca sumą miesięcznej dawki chronicznej i dawki chronicznej z burzy słonecznej.
M1=SPEs+(R2-SPEs)/12 < 0.275Sv
Sumy kontrolne zaznaczone na pomarańczowo nie przekraczają dopuszczalnej dawki według NCRP-138 o więcej niż 10%. Sumy kontrolne zaznaczone na czerwono przekraczają tą granicę i dyskwalifikują opcję.

Dla porównania wyników opcji 1-7 załóżmy że zbiornik ciśnieniowy schronu burzowego również wlicza się do masy osłon przeciwpromiennych. Jest to uzasadnione gdyż dla Opcji 6 jest to jedyna osłona a dla Opcji 7 schron burzowy jest pominięty całkowicie. Dla zgodności do wszystkich opcji oprócz Opcji 7 dodajmy masę zbiornika ciśnieniowego schronu burzowego (wynosi ona 85.15m2*30kg/m2=2555kg). Otrzymamy taką oto zależność dawek od masy osłon przeciwpromiennych.

Jak widać, przeciwko promieniowaniu GCR osłona jest bardzo trudna i dokładanie kolejnych dziesiątek ton do modułu załogowego robi niewielką różnicę (suma kontrolna R1, minimum słoneczne). Kiedy jednak rozważamy sumy kontrolne R2 i M1 (maksimum słoneczne i burza słoneczna) brak jakichkolwiek osłon staje się bardzo niebezpieczny. Osłona przed SPE jednak nie wymaga tak wielkich nakładów masy, jak osłona przed GCR.

Mając to wszystko na względzie widzimy że Opcja 4 (14727kg w Warstwach 1 i 5) spełnia wymagania NCRP-138 dla sum kontrolnych R2 i M1 a dla sumy kontrolnej R1 spełnia nasze luźniejsze wymaganie R1 < 0.55Sv. Lżejsze opcje 5-7 nie są akceptowalne ponieważ dawki przekraczają nawet nasze bardziej tolerancyjne standardy. Opcja 4 jest 31478-14727=16751kg lżejsza od Opcji 1 która i tak nie była w stanie spełnić surowych wymagań NCRP-138.

W związku z tym Opcja 4 jest konfiguracją osłon przeciwpromiennych, której użyjemy w dalszym projektowaniu modułu załogowego. Poniższe grafiki pokazują izometryczne przekroje modułu z podziałem na obszary i grubości osłon dla Opcji 4.

Źródła

Jak wspomniałem wcześniej, literatura dotycząca promieniowania kosmicznego jest bogata ale niekiedy sprzeczna ze sobą. Podczas pisania tego artykułu korzystałem głównie z dwóch źródeł:

1. ‘Radiation Effects and Shielding Requirements in Human Missions to the Moon and Mars ‘ Donalda Rappa http://www.marsjournal.org/contents/2006/0004/index.shtml

2. ‘Radiation Exposure Analyses Supporting the Development of Solar Particle Event Shielding Technologies ‘ https://ntrs.nasa.gov/search.jsp?R=20140000593

Pierwszy dokument jest szerokim przeglądem literatury i podejść do określania dawek chronicznych i ostrych w kontekście podróży na Marsa i Księżyc. Drugi dokument jest publikacją NASA z serwera https://ntrs.nasa.gov/ Jest to bogate, otwarte źródło dokumentów technicznych dotyczących technologii kosmicznych i naprawdę warte polecenia.

Dziękujemy bardzo Panu Wojciechowi Kasprzakowi za nadesłanie powyższego opracowania