«Допустить космический Чернобыль мы не имеем права»

Рентгеновский снимок по шесть раз в день

— Вячеслав Александрович, космическая радиация — предмет изучения ИМБП на протяжении уже долгого времени. 20 лет российские экипажи на МКС проводят космический эксперимент «Матрешка-Р», используя дозиметры для изучения динамики радиационной обстановки. Каких результатов удалось достичь?

— Космическая радиация — неотъемлемый элемент космического пространства. Радиация есть и на Земле, в нашей комнате. Но в космосе уровень фоновой радиации — той, которой каждый день облучаются космонавты, — примерно в 220 раз выше, чем здесь.

Для космонавтов есть нормативы — дозы радиации на борту МКС или космической станции «Мир» (примерно одни и те же орбиты, модули, защита, солнечная погода и так далее). Но доза — 0,6 мЗв/сутки — это много или мало? Как сказал Альберт Эйнштейн, все относительно. Приведу пример. Вы пошли к врачу, и он говорит, что вам нужно сделать рентгеновский снимок, деликатно уточняя, когда вы делали его последний раз. Если давно, отправит на рентген, а если вы скажете, что две недели назад, посоветует пропустить. Доза за один снимок — 0,1 мЗв.

Такой же предел дозы у нас и для людей «земных» профессий: работников атомных станций, врачей рентгеновских кабинетов. Но дело в том, что на земле есть так называемые годовые лимиты дозы. Например, для работников АЭС и всей атомной промышленности он составляет 20 мЗв. Это лимит, который не будет превышен, если вы придете в 20 лет работать в атомную промышленность и проработаете до 65-70 лет.

Несложный подсчет показывает, что, если у космонавта доза в сутки 0,6 мЗв, а в году 365 дней, то, поделив эти 1000 мЗв на годовую дозу, получается, что полет без превышения общей дозы излучения будет чуть больше четырех лет. Даже если у космонавта на борту станции есть все — еда, вода, возможность слушать музыку, заниматься упражнениями, доступ в интернет, — бесконечно находиться в космосе он не может. Этот предел еще никто из космонавтов не превзошел. Есть лишь один рекордсмен, у которого совокупный полет перевалил за 1000 суток, и то пока этот предел по дозе не достигнут.

— То есть мировой рекордсмен, командир отряда космонавтов Роскосмоса Олег Кононенко или кто-то из его коллег-космонавтов еще смогут побить свой же рекорд без риска превышения радиационных норм?

– Да, еще есть горизонты для покорения.

— Возвращаясь к космическому эксперименту «Матрешка-Р», при создании специального фантома была выбрана форма сферы. Как вы оцениваете результаты 20-летней работы?

— Служба радиационной безопасности внимательно отслеживает дозовые нагрузки на космонавтов, выдает рекомендации по их снижению и следит за тем, чтобы не были превышены нормативы. Но это не просто показания «висящего» на стенке станции дозиметра. Нужно знать дозу в так называемых критических органах космонавта: в кроветворной системе, желудочно-кишечном тракте, центральной нервной системе (ЦНС) и других системах в глубине тела человека, куда мы не можем поместить дозиметр. Шаровой ткане-эквивалентный фантом эксперимента «Матрешка-Р» — это шар диаметром 35 см. Внутри него полость диаметром 10 см. Размер, форма, полость внутри подобраны специально.

Космическая радиация устроена так, что большую часть полета, когда у нас спокойная радиационная обстановка, перепад дозы по телу космонавта небольшой, 15-20%, что дает возможность прикидывать и средний уровень на протяжении всего полета.

Представьте, что на стене висит дозиметр и он показывает одно значение. Тем не менее внутри тела космонавта будут другие показатели. Интрига в том, что, если радиационная обстановка станет возмущенной — такое происходит во время солнечных протонных событий, — суточная доза может возрасти в несколько раз. Были прецеденты, когда она возрастала в 10 и более раз на короткое время, порядка суток.

— «Матрешка» имеет форму сферы, ничуть не повторяя человеческий силуэт…

— Конечно же, шар не похож на тело космонавта. Но мы же не собираемся на нем проводить примерку моделей одежды. Мы располагаем датчики внутри, на определенной глубине в специальных каналах. Каждой глубине внутри шара соответствует свой орган. Теперь представьте себе, что мы вместо шара взяли антропоморфный фантом. Такие эксперименты тоже проводились нашими коллегами совместно с нами на МКС. Может ли фантом быть лучше, он ведь более напоминает тело человека? Попробуем разобраться.

Если внутрь фантома поместить датчики, то возникает так называемый эффект от ориентации. Приведу пример: космонавты поставили его лицом к одной из боковых стенок МКС и заставили так стоять в течение долгого времени, измерив в конце распределение дозы в его теле. Затем командуем ему: «Ну-ка, повернись боком». Распределение дозы внутри тела уже будет другое. Антропоморфный фантом, в котором внутри датчики, нужно поворачивать разными частями тела к обшивке станции.

На части тела вблизи стенки станции будет накоплена наибольшая доза. Если антропоморфный фантом ставить лицом к стенке или боком, то доза в теле будет накапливаться по-разному. Наш фантом имеет форму шара, его достаточно поставить в одном положении и все, что надо, будет промерено. Благодаря размерам и компактности фантом позволил проводить измерения в святая святых космонавта — его каюте. Как правило, космонавты говорят медикам: «Не лезьте в нашу каюту со своими медицинскими проблемами». Но нам удалось найти такую возможность, поэтому «Матрешка-Р» какое-то время жила в каютах.

Когда мы проверили дозу, оказалось, что если бы космонавт находился там неподвижно, то перепад от части тела, которая была ближе к стенке станции, до направленной к центру станции был бы почти в два раза. Это существенный перепад. Другим способом эти данные получить было бы нельзя, помог наш шар — круглый, из красного ткане-эквивалентного материала. Эти результаты стали очень полезны для отработки методов защиты от радиационного воздействия.

— Есть ли у него аналоги?

— У него были предшественники. Мой старший коллега по Службе радиационной безопасности еще во времена станции «Мир» придумал доставить туда своего рода прототип «Матрешки–Р» — сферическую оболочку из пластического материала, размером примерно с наш шаровой фантом. Она весила килограмма полтора. После установки ее наполнили водой по специальным трубочкам. Получился примерно такой же шар, наполненный водой, которая, как известно, близка по составу к телу человека. В нашем теле много воды. Мы тоже проводили уникальное измерение еще на станции «Мир». Но оказалось, что такой фантом не очень удобен. Там было мало каналов и не было возможности разместить активные датчики.

Для целей радиационной безопасности мы должны измерять не только интегральную дозу, но и как она накапливается в течение суток, а также всего времени полета. Идея о том, что на борту МКС надо использовать фантом специальной формы и размера, но не антропоморфный, принадлежит российским специалистам по радиационной безопасности космических полетов — ИМБП РАН.

Гигиенические салфетки и "шапочки из фольги" против радиации

— Удалось ли защитить каюту от повышенных доз радиации у стенки? Были ли выработаны рекомендации по размещению космонавта на время сна?

— В той экспедиции рекомендаций мы не выдавали, но догадывались об этой проблеме. Когда проектировались космическая станция и ее отсеки еще во времена Сергея Королева, полеты были короткие, и нормативы, гораздо менее жесткие, в несколько раз превышали вышеупомянутый разрешенный сегодня предел для работников атомной промышленности. Считалось, что космонавтам можно получить дозу в четыре раза выше нынешней нормы. Что в итоге получилось? Каюты находятся близко к обшивке станции, можно сказать, несколько выходят за объем тела станции, тот же отсек большого диаметра служебного модуля МКС.

Мы с вами живем на поверхности Земли, точнее, на дне воздушного океана. Если его пересчитать в водный эквивалент, получится, что нас с вами от радиации защищает слой воды толщиной 10 м. Поэтому здесь, на Земле, такой низкий фон, и мы с вами получаем относительно низкие дозы по сравнению с космонавтами.

— Но вернемся в каюту. Как же удалось увеличить защиту тонкой стенки?

— Мы стали проводить расчеты и оказалось, что нужно доставить на борт станции около 100 кг полиэтилена или полиэтиленовых плит. Если их положить в два слоя, каждый толщиной примерно 2,5 см, получится слой 5-6 см толщины, при котором доза будет снижаться на десятки процентов. Но когда мы с этой идеей обратились к специалистам Ракетно-космической корпорации «Энергия», то поддержки, мягко говоря, не получили. Было задано два наводящих вопроса. «А у нас кто-нибудь из космонавтов от радиации помер?» «Никто», — ответили мы. «Вот вы отвечаете за радиационную безопасность, а превышены ли нормативы?» Снова мы ответили отрицательно.

Но доза в космосе большая. Мириться с этим нельзя. На станции есть средства личной гигиены — это салфетки, полотенца, запаянные в полиэтиленовый пакет, пропитанные водой. Если взять такую салфетку в руки, то чувствуется, что пакетик-то тяжелый, примерно 80% его массы составляет вода. Вода защищает от радиации, ослабляет, хорошо замедляет нейтроны.

Так и родилась идея — разместить салфетки вдоль стенки каюты в несколько слоев, уложив их в специальный накопитель. На борту станции есть так называемый неприкосновенный запас — еда и вода, — на случай, если грузовой корабль не прилетел. В него входят и наборы гигиенических салфеток и полотенец.

— Как будет решаться вопрос радиационной безопасности на Российской орбитальной станции (РОС)?

— Был эскизный проект по средствам обеспечения радиационной безопасности на РОС. Мы предложили наше новое средство — «фантом-свидетель». Фактически это шаровой фантом, сделанный по той же технологии, но с более современными датчиками радиации внутри. В оперативном режиме он будет давать уже не данные к научным исследованиям ученых, а показывать специалистам Службы радиационной безопасности дозы на определенные критические органы внутри тела космонавта.

Полярная орбита (наклонение примерно 97,2° к плоскости экватора) радиационно гораздо более опасна. Магнитное поле там над магнитными полюсами ослаблено.

Конечно, они совсем редки, но наш шаровой фантом и датчики в нем смогут дать точную информацию, какую повышенную дополнительную дозу получили органы космонавтов в такой вспышке.

Поскольку заранее предсказать, насколько доза внутри будет отличаться от дозы на поверхности, нельзя — перепад может составлять несколько раз, — такой фантом будет очень полезен.

Помимо датчиков, измеряющих дозу внутри фантома, на РОС будет специальная бортовая система, которая будет отслеживать динамику нарастания дозы в разных отсеках. По данным измерений она сможет выдать рекомендацию космонавтам о надвигающемся солнечном протонном событии. Конечно, заблаговременность такого прогноза невелика — от нескольких десятков минут до нескольких часов, но этого времени будет достаточно, чтобы предпринять дополнительные защитные меры на борту.

Это может быть возводимая защита как из конструкций МКС, так и средства локальной защиты космонавтов в виде костюмов или защиты критических органов.

— На ум приходят защитные шапочки из фольги…

— Кроме шуток речь идет и о специальном защитном колпаке. Как он будет выглядеть, будет ли это колпак или чалма, пока сказать нельзя, его разработка еще не окончена. Тем не менее мы предполагаем наличие таких средств, поскольку это очень важно для будущего космонавтики, полетов вне магнитосферы Земли, миссий на Луну и межпланетных перелетов. Такие средства должны быть на борту и активно использоваться космонавтами, а их отработку нужно начинать уже сейчас на текущих орбитальных станциях.

— Известно о ряде разработок, например, коллектива авторов из Белгородского государственного технологического университета по защитному композиционному материалу на основе активировано-модифицированного гематита. Есть ли уже решение оборудовать внешний контур РОС подобными материалами?

— Защита, которую мы делали из салфеток, конечно, съедает большой внутренний объем каюты. Сразу приходит мысль о неких пластинах из материала с большой плотностью, свинце, меди, к примеру. Но такие материалы порождают большое количество вторичных частиц, нейтронов, а у них высокая биологическая эффективность. В защите от радиации они неэффективны. Нашими специалистами был предложен компромисс — использование композитных материалов в качестве первого плотного слоя защиты. Плотность его меньше, чем у свинца — 3-4 г/см3. Напомню, плотность воды — 1 г/см3. Можно поэтому сделать его меньшую толщину.

Вслед за этим можно пустить опять или слой воды, или слой полиэтилена. Тогда вторичные частицы, которые все-таки будут появляться в первом слое, будут поглощаться во втором. В итоге толщину дополнительной защитной шторки или изделия можно будет уменьшить вдвое — до 5 см, это большой выигрыш. Свойства этих материалов еще нужно исследовать на земле и проверять в космосе, в этом сотрудничество с коллегами из Белгородского государственного технологического университета им. Шухова имеет все перспективы. Надеемся, что эти разработки обязательно будут применяться на РОС.

До Марса и обратно за 500 дней

— Предлагаю переместиться в дальний космос. Человечество возобновляет активное освоение Луны. В своей лекции на Летней космической школе вы упоминали, что Марс с точки зрения нахождения человека долгое время даже более безопасен, чем Луна. О каких мерах защиты от радиации мы можем говорить для будущих обитаемых баз на Луне?

— Марс хоть и маленькая, хоть и красная, но все-таки планета, а Луна всего-навсего спутник Земли. У Марса есть слой атмосферы, и он находится дальше от Солнца. Это тоже хорошо в смысле солнечных протонных событий. Кроме того, в состав марсианского реголита входит вода.

На Луне это будет примерно 1,4 мЗв/в сутки. Как я говорил, вокруг Земли летать можно максимум четыре года, а поскольку на поверхности Луны доза в два раза больше, то жить нужно будет в лунном модуле. Скорее всего, в нем смогут разместиться не более нескольких обитателей.

— Понятно, что там пока никто не поселился, но тем не менее на Марсе это сделать можно. Как же защищаться?

— На Земле от радиации защищает атмосфера — это примерно 10 метров водного эквивалента. Марсианская атмосфера — это примерно 20 см водного эквивалента, что тоже неплохо для защиты от радиации, но недостаточно.

Но если плотность реголита примерно в 3-4 раза больше плотности воды, соответственно, слой реголита в несколько метров позволит создать фоновый уровень радиации, если считать оптимистично, близкий к земному. Мы сможем защититься от воздействия галактических и солнечных космических лучей.

— То есть планы Илона Маска по покорению Марса имеют под собой твердые расчеты?

— Илон Маск доказал свою эффективность, как бизнесмен. Как ни странно, его подход к полетам на Марс мне представляется весьма справедливым.

Конечно, это очень рискованный и опасный полет. Но он полезен именно для отработки технологий строительства дома на поверхности этой планеты, добычи воды и кислорода. Все надо отрабатывать, конечно, на нашем ближайшем спутнике. Человечеству очень повезло, что у нас есть Луна — ее надо осваивать и отрабатывать все эти методики, не забывая, что нас ждет Марс.

За годовой полет космонавт получает дозу ликвидатора ЧАЭС

— Космическая отрасль извлекла какие-то уроки из Чернобыльской катастрофы?

— Чернобыль дал развитие многим подходам и методам защиты от радиации. На занятиях члены отряда космонавтов часто меня спрашивают об опасности радиации. Отвечаю им, как и Эйнштейн, что все относительно. За годовой полет космонавт получит свою дозу, равную примерно 220 млЗв. Когда была чернобыльская авария, там работали ликвидаторы. Их предельная доза была эти самые 200 млЗв. То есть космонавт, вернувшись из годового полета, получает дозу, разрешенную ликвидаторам аварии на Чернобыльской станции.

Конечно, условия ликвидаторов и космонавтов не сравнить. Эту дозу ликвидатор получал за короткий промежуток, что очень опасно. Для космонавтов это менее страшно. Уровни радиации на Земле и в космосе несопоставимы, а специфика космической радиации в том, что методы и приборы для атомных станций напрямую для космоса не подходят, потому что в космосе основной вклад дает так называемая корпускулярная радиация — это заряженные частицы, протоны.

В этом смысле в космосе могут происходить свои события, которые могут стать «космическим Чернобылем». Это те самые солнечные протонные события, которые никто не может предсказать, к которым никто не готовился, когда у космонавтов нет средств защиты, когда данные о дозах поступают с задержкой.

— В 2025 году планируется запуск аппарата «Бион-М» №2 с участием мышей, содержавшихся на земле в микроклимате биоспутника, и мух из стандартных условий вивария. Исследования в полете будут направлены на изучение реакций ЦНС, сенсорных систем, мышц, скелета, сердечно-сосудистой системы, водно-солевого обмена и регенерации. Предполагаются ли радиационные исследования условий полета?

— «Бион» должен улететь в марте 2025 года. Что важно, он полетит по той же орбите, по которой будет летать Российская орбитальная станция. В каком-то смысле для нас это радиационное зондирование этой трассы. Ведь на борту биологического спутника разные животные, специалисты-биологи и медики изучают в этой миссии воздействие на них всех факторов космического полета.

На борту этого спутника есть комплекс аппаратуры радиационного контроля и внутри спутника, и на наружной поверхности. Мы измеряем дозу интегрально и в динамике и надеемся, что этот полет будет отработкой новых технологий, в том числе с точки зрения новых данных по радиации на этой орбите.

— Предыдущие экспедиции «Биона» дали для вас и коллег какие-то научные результаты?

— Предыдущие экспедиции были на орбитах, превышающих орбиту МКС. «Бион-1» летал на орбите около 500 километров. За месяц полета животные, которые там находились, набрали дозу радиации примерно такую же, как космонавты набирают за шесть месяцев.

Космонавты летают и шесть месяцев, и год, и какого-то существенного воздействия радиации на них не производит. Поэтому я бы не сказал, что в предыдущих полетах радиационный фактор как-то себя проявил. Для более точных результатов нужны полеты по другим орбитам. Надо планировать последующие «Бионы», когда животные будут находиться на орбитах с большим уровнем радиации. Там могут быть получены новые интересные эффекты.

— Как вы оцениваете целесообразность человека на РОС?

— Роль человека очень важна, и, конечно, никто не собирается от этого отказываться. Это высокоширотная орбита, куда проникают те самые космические лучи, которые не могут в такой же мере проникать на орбиту МКС. Это означает, что космонавты на борту РОС будут подвергаться уровню радиации, приближенной к уровню межпланетного полета. Поясню: если космонавт один год провел на МКС, означает ли это, что там у него будут такие же эффекты с точки зрения радиации, как один год межпланетного полета? Я не говорю про уровень дозы радиации. При межпланетных полетах основной вклад будут давать галактические космические лучи, в состав которых входят так называемые тяжелые заряженные частицы.

Поэтому речь идет не столько о дозе получаемой радиации, а о том, как эти лучи могут воздействовать на ЦНС, приводить к каким-то когнитивным эффектам. Мы не можем, конечно, специально облучать человека частицами на земле, на ускорителе. Такие исследования проводятся на животных (на земле и в космосе), а человек должен осваивать новые пространства.

По орбите РОС уже летали отдельные беспилотные аппараты. Нельзя сказать, что мы совсем не знаем, какие там условия. Есть модели радиации в космосе, но опять-таки ничто не заменит присутствия человека на этой орбите и изучение того, как на него воздействуют все эти факторы. И мы должны быть к этому готовы.