Валерий Родиков «Радиация и космос»

Лет 50-60 тому назад любители фантастического чтива, да и не только они, полагали, что наибольшая опасность для будущих звездолетчиков будет исходить со стороны разных чудовищ, похожих на тех, которыми заселил свои «марсианские» романы популярный в те годы фантаст Берроуз. С тех пор наши знания о космосе лавинообразно расширились, и сейчас ученые могут с уверенностью сказать, что главная опасность – это не фантастические монстры, а враг невидимый, но от этого отнюдь не менее страшный и коварный. Название ему – радиация.

С ней земляне познакомились в конце прошлого века, когда были открыты рентгеновские лучи и явление радиоактивности. Для многих рентгенологов и исследователей радиоактивности знакомство окончилось трагически – преждевременной смертью от рака. По крайней мере, 336 человек, работавших с радиоактивными материалами в то время, умерли в результате облучения.

Радиоактивность и сопутствующие ей излучения существовали на Земле до зарождения на ней жизни и присутствовали в космосе до возникновения самой Земли. Ионизирующее излучение сопровождало и Большой изрыв, с которого, как полагают ученые, началось существование нашей Вселенной около 20 миллиардов лет назад. С того времени радиация постоянно наполняет космическое пространство. Звезды, в том числе и наше Солнце, являют собой огромные термоядерные бомбы, исторгающие радиацию. Земная магма, кипящая под нашими ногами, тоже источник радиации. Сама земная кора содержит радиоактивные скопления со времени рождения нашей планеты. Даже человек слегка радиоактивен, так как во всякой живой ткани присутствуют в ничтожных количествах радиоактивные вещества.

И никуда не деться от естественной радиации. Она повсюду. Например, многие из нас, сидя на гранитной скамейке, не подозревают, что гранит радиоактивен. Облучается любой житель Земли, правда, в разных дозах, в зависимости от места, где он живет. В Бразилии, километрах в двухстах от Сан-Паулу, есть небольшая возвышенность. По каким-то причинам она оказалась необитаемой. Уровень радиации здесь превышает средний в 800 раз. Чуть меньший уровень зарегистрирован в 600-х километрах к востоку от возвышенности на курортном пляже городка Гуарапари. Есть подобная аномалия и в прибрежной полосе на юго-западе Индии. Песчаные пляжи там богаты торием. В Иране, вблизи городка Рамсер, бьют ключи, насыщенные радием. Уровень радиации в этом месте превышает средний почти в 1300 раз.

Человек облучается не только снаружи, но и изнутри: радиоактивные изотопы он получает вместе с пищей. Так, например, нуклиды свинца-210 и полония-210 концентрируются в рыбе и моллюсках, поэтому люди, потребляющие много рыбы и других даров моря, могут получить относительно высокие дозы облучения. Жители Крайнего Севера питаются мясом северного оленя (карибу), в котором оба упомянутых радиоактивных изотопа присутствуют в довольно высокой концентрации. Они попадают в организм оленей зимой, когда животные кормятся лишайником, в котором эти изотопы накапливаются. Дозы внутреннего облучения от полония-210 при этом могут в 35 раз превышать средний уровень. А в другом полушарии люди, живущие в Западной Австралии, в местах с повышенной концентрацией урана, получают дозы облучения, в 75 раз превосходящие средний уровень, поскольку едят мясо и требуху овец и кенгуру.

Но главным из естественных источников радиации, и это лишь недавно поняли ученые, является невидимый, не имеющий вкуса и запаха тяжелый газ радон, в 7,5 раз тяжелее воздуха.

В природе радон встречается в двух основных формах: в виде радона-222, члена радиоактивного ряда, образуемого продуктами распада урана-238, и в виде радона-220, члена радиоактивного ряда тория-232. Вообще говоря, большая часть облучения исходит из дочерних продуктов распада радона, а не от него самого.

Радон высвобождается из земной коры повсюду, но его концентрация в наружном воздухе существенно различается для разных точек земного шара. Как ни парадоксально это может показаться на первый взгляд, но больше всего человек облучается радоном в закрытом, непроветриваемом помещении. В зонах с умеренным климатом концентрация радона в закрытых помещениях в среднем примерно в восемь раз выше, чем в наружном воздухе.

Просачиваясь через фундамент и пол из грунта или выделяясь из строительных материалов, газ накапливается в помещении. Если дом стоит на грунте с относительно повышенным содержанием радионуклидов и если при его постройке использовались материалы с повышенной радиоактивностью, то уровень радиации может оказаться довольно высоким. Особенно это относится к герметичным помещениям.

Экономные шведы для сокращения расходов на отопление увлеклись герметизацией своих жилищ. За экономию приходится расплачиваться повышенной долей облучения: концентрация радона в комнатах подскочила более чем в три раза. Положение усугубляется еще и тем, что шведы живут в основном в малоэтажных домах, а чем ближе к земле – источнику радона, тем больше его концентрация в помещении. В этом отношении живущие на первом этаже проигрывают своим более «высотным» соседям.

В некоторых районах Франции, Нигерии, Мадагаскара излучения радона, которым подвергается население, значительно превышает максимальные дозы, допустимые для работников атомных электростанций.

Радон вездесущ. Под землей он проникает в природный газ. Хотя после предварительной переработки газа большая часть радона улетучивается, тем не менее его концентрация в помещении может возрасти, если кухонные плиты и другие нагревательные приборы, в которых сжигается газ, не снабжены вытяжкой. Поэтому без особой на то надобности оставлять газовую горелку включенной не стоит.

Сейчас общественность многих стран, в том числе и нашей, обсуждает проблемы ядерной энергетики. Многие выступают против атомных электростанций. Их опасения понятны, проблем много: радиоактивные выбросы, катастрофические аварии, захоронение радиоактивных отходов АЭС и пустой породы урановых рудников. Но не надо забывать, что облака, извергаемые трубами тепловых электростанций, хоть и в малой степени, но радиоактивны, приводят к дополнительному облучению людей, а оседая на землю, частички золы могут вновь вернуться в воздух в виде пыли. Интересно, что к 1980 году суммарная доза облучения, полученная человечеством от эксплуатации тепловых электростанций, в четыре раза превышала дозу от АЭС и связанных с ней производственных циклов (таких, как добыча топлива и переработка отходов).

А теперь поднимемся с земли на небеса. Чем ближе к ним, тем выше уровень радиации. Дополнительно облучаются летчики, жители высокогорных селений. Но источник радиации уже другой. Она вызывается космическими лучами, рожденными в глубинах Вселенной, а иногда вспышками на солнце. Нашу землю, сравниваемую иногда с гигантским космическим кораблем, защищают от губительных космических лучей магнитное поле нашей планеты и ее атмосфера.

Магнитное поле отклоняет заряженные частицы. Преодолеть магнитный барьер удается лишь самым энергичным гостьям из космоса. Только к Северному и Южному полюсам прорываются и более спокойные их «коллеги». Поэтому в Арктике и Антарктике полярники купаются под более интенсивным космическим душем, нежели остальные жители планеты. Здоровье зимовщиков должно быть отменным. Радиация сразу же выявляет изъяны.

Пройдя сквозь магнитный «экран», высокоэнергетические атомные ядра, из которых состоят космические лучи, сталкиваются с атмосферными частицами в верхних слоях нашего воздушного океана. В результате ядерных превращений рождаются вторичные частицы. Те, в свою очередь, сталкиваются с другими атмосферными частицами. И так далее. Возникает своего рода ливневый дождь, только роль водяных капель в нем исполняют заряженные частицы. От беспрестанных столкновений частицы теряют энергию. Каждое новое поколение частиц появляется на свет ослабленным. До поверхности Земли добираются лишь мюоны, электроны и случайные нейтроны.

Возможно, столь благоприятная радиационная обстановка, как на Земле, вообще является необходимой предпосылкой для возникновения, развития и поддержания жизни. Земная атмосфера служит противорадиационным экраном, который по эффективности действия можно сравнить со слоем воды толщиной 10 метров. Вместе с магнитным полем планеты ее атмосфера надежно защищает Землю от космической радиации.

А как защищены от нее космонавты?

На орбитах, там, где летают пилотируемые космические корабли и орбитальные станции, магнитное поле планеты сравнительно неплохо оберегает космонавтов от галактических лучей. Но это не значит, что там нет радиации. Околоземной космос является своего рода геомагнитной ловушкой для заряженных частиц. Магнитное поле планеты не дает им вырваться в безбрежные просторы Вселенной. Они обречены сопровождать нашу Землю в ее звездном путешествии. Среди этих частиц есть электроны, тяжелые ионы. Но их энергия, слава богу, мала, и экран из алюминия надежно защищает экипаж от этих частиц. Правда, опасность все равно остается со стороны «захваченных» протонов и продуктов их взаимодействия с частицами верхних слоев атмосферы.

В наш атомный век все мы более или менее знакомы с дозами радиации. Напомним, что в качестве измерения поглощенной дозы для любого вида ионизирующих излучений, часто употребляется рад. Представление о величине этой единицы дает следующее сравнение: чтобы нагреть грамм воды на один градус, нужна энергия в 420 тысяч раз большая, чем рад. Как видим, величина это довольно малая, но для измерения дозы облучения живых организмов она широко используется, прибегают даже к услугам в тысячу раз более мелкой единицы – миллирад.

Но эта величина не учитывает разницу в опасности разных излучений. Так, например, при одинаковой поглощенной дозе, альфа-излучение гораздо опаснее бета- или гамма-излучения. Чтобы привести к общему знаменателю разные виды излучений с точки зрения их биологического влияния на живой организм, вводят коэффициенты, которые отражают способность излучения данного вида повреждать ткани организма. Для тяжелых ионов этот коэффициент равен 25, для нейтронов – 20. Поглощенная доза в рад, умноженная на коэффициент, дает эквивалентную дозу, измеряемую в бэр (биологический эквивалент рентгена).

Максимальная доза облучения среди погибших в Чернобыле – 1600 рад. Величина большая даже без коэффициентов. По американским данным, считается, что при кратковременном воздействии радиации на человека доза около 118 бэр является смертельной для 10 из каждых 100 облученных, а доза около 345 бэр – для 50 из 100. Доза порядка 200 бэр вызывает помутнение хрусталика глаза, что приводит к ухудшению зрения. Кумулятивный эффект делает опасными и менее мощные дозы. Так, доза 1 бэр, получаемая каждый год в течение 10 лет, увеличивает вероятность заболевания лейкемией и другими формами рака. Точное значение этой вероятности не определено, но можно предположить, что при эквивалентной дозе 1 бэр в год она составляет примерно один процент.

Опираясь на эти данные, американцы установили следующие предельно допустимые дозы облучения: 0,5 бэр в год для гражданского населения, 5 бэр в год для работающих в условиях повышенной радиации, 50 бэр в год и 200 бэр за 10 лет для космонавтов.

Максимальная доза, которую получили американские астронавты во время экспедиции на Луну и на околоземных орбитах, составила для кожных покровов 18 бэр, а для кроветворных органов – 8 бэр.

В будущем намечается освоение Луны, пилотируемые полеты на Марс, в точки либрации системы Земля-Луна. В этих путешествиях люди лишаются спасительного магнитного поля Земли и могут сделаться «добычей» космических лучей галактического происхождения. Хоть их и не так много, но энергией они обладают большой. В основном это сильно ионизированные тяжелые ядра атомов углерода, кислорода, неона, магния, кремния, железа… По-видимому, они ускоряются при взаимодействии с магнитными ударными волнами, возникающими при вспышках сверхновых.

Космические лучи могут проникнуть сквозь стенки корабля и вызвать лучевое поражение членов экипажа. Кроме того, столкнувшись с оболочкой корабля, лучи вступят в ядерные взаимодействия с веществом. Следы этих реакций: ядерные осколки, мезоны и глубоко проникающие нейтроны – еще более увеличат дозу радиации.

Ученые считают, что от радиации есть щит – противорадиационные алюминиевые экраны. Они защитят космонавтов в длительных полетах на Марс, позволят долгое время жить на Луне. Чем больше толщина экрана, тем меньшую дозу радиации получат космонавты. На Луне вместо алюминиевых экранов можно использовать лунный грунт. Крыша толщиной в два метра обеспечит безопасность жителей будущих лунных поселков. А на крыше можно будет устроить оранжерею для выращивания сельскохозяйственных культур.

Участникам экспедиции на Марс придется лететь в такой же радиационной среде, в какой пребывал экипаж «Аполлона» во время лунной эпопеи. Однако при современном уровне развития химических ракетных двигателей такая экспедиция продлится около трех лет – в 100 раз дольше, чем полет к Луне, а следовательно, и полученная доза радиации возрастет в 100 раз. Применение алюминиевого экрана толщиной девять сантиметров снизит годовую дозу до 35 бэр. За три года полета космонавты «схватят» около 100 бэр, то есть половину предельной дозы, предусмотренной для космонавтов за 10 лет. На поверхности Марса годовая доза составит около 20 бэр.

Ученые считают, что к середине следующего столетия, когда широко освоят сверхпроводящие материалы, удастся создать термоядерный двигатель. Тогда скорости космических кораблей возрастут в 1000 раз по сравнению с теперешними. Но быстрее, чем со скоростью, равной пяти процентам от световой, корабль лететь не сможет. Не выдержит современная радиационная защита. При более быстрой скорости каждый квадратный сантиметр поверхности космического корабля будет испытывать бомбардировку миллиардной лавины энергичных частиц межпланетного или межзвездного газа. Эта бомбардировка приведет к ядерным взаимодействиям, которые рождают глубоко проникающие гамма-лучи и потоки нейтронов в смертельных дозах. Обычные экраны здесь не спасут, и если не будут найдены радиационно-стойкие материалы или принципиально новые способы радиационной защиты, то до ближайших звезд космонавтам придется «плестись» со скоростью 15 тысяч километров в секунду. По времени это составит около ста лет.

источник: Валерий Родиков «Радиация и космос» // сборник «Дорога миров», т.1, 1990