Космическое излучение: о чем нам не следует беспокоиться
×
Хотите узнать больше о деятельности МАГАТЭ? Подпишитесь на нашу ежемесячную электронную рассылку, чтобы быть в курсе самых важных новостей, получать аудио- и видеоматериалы и многое другое.
Что есть что в ядерной сфере
Лаура Хиль , Бюро общественной информации и коммуникации МАГАТЭ
Космическое излучение может быть галактическим и солнечным. Магнитосфера Земли отклоняет космические лучи и защищает нас от солнечных вспышек. (Изображение: Л. Хан/МАГАТЭ)
Космическое излучение — это и есть радиация в космосе. В этой статье мы выясним, что оно собой представляет, почему мы защищены от него, находясь на Земле, как оно может влиять на людей, выполняющих определенную работу, и как оно может способствовать развитию технологий лечения рака.
Что такое космические лучи?
Космические лучи представляют собой чрезвычайно высокоэнергетические субатомные частицы — в основном протоны и атомные ядра, сопровождаемые электромагнитными излучениями, — которые перемещаются в космосе, в конечном счете достигая поверхности Земли. Они движутся практически со скоростью света, составляющей приблизительно 300 000 км/с.
Откуда они берутся?
Космические лучи бывают двух видов: галактические и солнечные. Галактическое космическое излучение исходит от остатков сверхновых, образующихся в результате мощного взрыва на последних этапах эволюции массивных звезд, которые либо превращаются в черные дыры, либо разрушаются. Выделяемая при этих взрывах энергия ускоряет заряженные частицы за пределами нашей Солнечной системы, из-за чего они приобретают очень высокую проникающую способность, а их экранирование становится чрезвычайно трудной задачей. По сути, сверхновые действуют как огромные природные ускорители частиц. Земля постоянно подвергается воздействию галактического космического излучения.
Солнечное космическое излучение состоит из заряженных частиц, испускаемых Солнцем, — преимущественно электронов, протонов и ядер гелия. Часть этого излучения непрерывно исходит из короны Солнца, поэтому ученые стали называть его «солнечным ветром». Остальное излучение порождается событиями солнечных частиц — внезапными и спорадическими выбросами электрически заряженных частиц, сопровождающимися электромагнитными излучениями, которые возникают, когда магнитные поля на поверхности Солнца растягиваются и скручиваются. Словно резиновая лента, магнитные поля Солнца могут внезапно сжиматься, высвобождая огромную энергию, выброс которой может потенциально представлять угрозу для здоровья находящихся в космосе астронавтов. Сильные солнечные вспышки, хотя и случаются редко, могут в конечном счете приводить к нарушению радиосвязи и влиять на работу современных технологий связи и навигации на самой Земле.
Достают ли до нас космические лучи на Земле?
Земля экранирована магнитным полем, и оно заставляет заряженные частицы отклоняться от полюса к полюсу, создавая два гигантских пояса, напоминающие по форме бублик, в которых удерживаются электроны и протоны высоких энергий. Таким образом, магнитосфера отклоняет космические лучи и защищает нас от солнечных вспышек. Иногда космическое излучение все же достигает нас, но не причиняет никакого вреда, подобно другим слабым уровням излучения, которые регулярно присутствуют в нашей жизни. В среднем люди получают дозу излучения, составляющую около 3,5 миллизивертов в год. Примерно половина этого излучения происходит из искусственных источников, таких как рентгеновская съемка, маммография и КТ, а другая половина — из природных источников, в числе которых около 10% приходится на космическое излучение. Зиверт используется в качестве единицы измерения риска для здоровья вследствие облучения: доза в один зиверт предполагает 5,5% вероятность развития в конечном итоге радиационно-индуцированного рака в более поздний период жизни человека.
«Частицы космического излучения, проникающие в атмосферу на магнитных полюсах Земли, могут создавать поистине удивительные, красочные всполохи полярного сияния», — рассказывает Михаэль Хаек, специалист МАГАТЭ по внешнему дозиметрическому контролю. Джоан Файнмэн, астрофизик, которая посвятила большую часть своей жизни изучению полярного сияния, обнаружила, что эти магические явления, наблюдаемые преимущественно в высоких широтах вокруг Арктики и Антарктики, являются результатом столкновений между заряженными частицами солнечного ветра и газообразными компонентами атмосферы. За наиболее распространенный цвет полярного сияния, бледно-желтовато-зеленый, отвечают молекулы кислорода, в то время как взаимодействие частиц с азотом дает синий или пурпурно-красный цвет полярного сияния.
Достают ли они до нас, когда мы летаем?
Да. Хотя пассажиры самолетов испытывают повышенное воздействие космических лучей, особенно на больших высотах и широтах, доза облучения, которую они получают за один полет, совсем незначительна. Экипажи воздушных судов и часто летающие пассажиры подвержены воздействию радиации из космоса в больших дозах, в зависимости от того, как часто они летают. Доза облучения экипажа, выполняющего полеты преимущественно на малой высоте, как, например, в случае большинства летательных аппаратов на авиационном топливе, едва ли будет превышать один миллизиверт в год. Тем не менее, для экипажей, работающих на дальнемагистральных полярных маршрутах, годовая эффективная доза облучения может составлять до шести миллизивертов.
«В нормах безопасности МАГАТЭ предусмотрен специальный раздел, GSR-Part 3, раздел 5, в котором изложены возможные варианты действий государств-членов по сокращению радиационного облучения экипажей воздушных судов», — поясняет Тони Колган, руководитель Группы радиационной защиты МАГАТЭ. Количество летных часов для экипажей контролируется Международной ассоциацией воздушного транспорта (ИАТА), которая также устанавливает предельные дозы облучения, которым они могут подвергаться.
А как же космонавты?
Экипаж космического летательного аппарата получает еще более высокую дозу облучения. Космонавт, находящийся на борту космической станции, которая вращается вокруг Земли на орбите высотой 400 км, обычно подвергается облучению в дозах, превышающих половину миллизиверта в сутки. Таким образом, за 12 дней космонавты получают ту же дозу, что и экипаж самолета за год. Национальными космическими агентствами установлены предельные дозы облучения для космонавтов. Такие последствия для здоровья, как радиационно-индуцированный канцерогенез и некоторые реакции тканей, могли быть связаны с воздействием на космонавтов космического излучения, хотя из-за небольшого размера выборки количественная оценка подобных последствий затруднительна.
Можно ли извлечь какую-либо пользу из космического излучения на Земле?
«Удивительно, как понимание нами механизмов повреждения клеток вследствие высоких уровней космического излучения может помочь в развитии технологий, применяемых для лечения рака с использованием ускорителей тяжелых заряженных частиц», — говорит Михаэль Хаек. Благодаря своим уникальным свойствам пучки заряженных частиц — подобные тем, которые встречаются в космосе — могут разрушать глубоко расположенные опухоли, сводя к минимуму повреждения окружающих тканей. «Достижения в области ионной терапии, в свою очередь, позволят нам улучшить радиационную защиту в космосе и преодолеть нынешние ограничения в области прогнозирования рисков для здоровья при длительных космических полетах», — объясняет г-н Хаек.
Что известно о космосе. Как он пахнет и есть ли жизнь за пределами Земли
В астрономическом и астрофизическом поле только за последнюю декаду произошло немало грандиозных прорывов — от пролета мимо Плутона до фотографии черной дыры в галактике M87. РБК Life рассказывает, что на данный момент ученым известно о Вселенной и Солнечной системе.
Безмолвие и холод пустоты
Начнем с базовых знаний. Слоган «В космосе никто не услышит твой крик» легендарного фильма Ридли Скотта «Чужой» в 1979 году сигнализировал посетителю кинотеатра, что будет как минимум страшно. Однако это не просто предупреждение, создающее предвкушение леденящего зрелища, а факт. В космосе нет звука, поскольку нет воздуха — среды, необходимой для распространения звуковых волн. Поэтому любые космические баталии, будь они возможны, как в кино, проходили бы в полной тишине — не так эффектно, как можно представить.
Кроме того, космическая температура совершенно неблагоприятна для человека без защитной экипировки: абсолютный ноль (-273,15 °C) — это температура вакуума в открытом космосе. Но это вовсе не значит, что все космические объекты «висят» в ледяной пустоте: излучение звезд и горячих газовых гигантов обязательно их нагревает (именно поэтому обращенная к Солнцу сторона МКС раскаляется до +260 °С). Максимальные минусовые температуры космоса можно встретить в отдаленных и самых темных его уголках. Например, в туманности Бумеранг такой есть: там зафиксирована температура -272 °С.
Фото: ESA / NASA via Getty Images
К слову, благодаря этому самому излучению космос пахнет: астронавты и космонавты сообщали, что чувствовали запах жженого металла, как при сварке, пороховой гари и даже подгоревшего миндального печенья. Впрочем, во многом это зависело от окружающих материалов — обшивки космической станции или различных инструментов, раскаленных на Солнце и подверженных процессу окисления (в безвоздушном пространстве это почти что горение, но без дыма). Кроме этого, в космосе полно других запахов: молекулярные облака, туманности, в которых происходит рождение новых звезд, а также планеты и их спутники обладают самыми разными ароматами — от сероводорода и нафталина до этилового спирта.
Путешествия по Вселенной
В настоящее время за пределами Земли находятся десять человек. Для людей космос — недружелюбное место, и пока не изобретено удобной, безопасной в долгосрочной перспективе и экономически доступной системы, которая позволила бы его «бороздить». Скафандры все еще громоздкие, устаревшие и порой протекают (в шлеме астронавта Матиаса Маурера в 2022 году оказалась вода прямо во время выхода в открытый космос). Только в 2024-м НАСА получит новые скафандры от Collins Aerospace — заказ на $97,2 млн поступил компании в декабре прошлого года.
Фото: collinsaerospace.com
Что касается космических кораблей, ничего, близко подобного «Энтерпрайзу» из «Звездного пути», в ближайшие 50 и, возможно, 100 лет люди не построят: слишком дорого и ресурсозатратно. Но амбициозные проекты все же появляются: ракеты вроде Starship от SpaceX Илона Маска и Space Launch System (SLS) с космическим кораблем «Орион» от НАСА, запущенный в рамках новой лунной миссии «Артемида» в ноябре 2022 года. На строительство и испытание таких ракет выделяют огромные бюджеты (например, сумма контракта НАСА со SpaceX составила $2,89 млрд, а полноценное возвращение людей на Луну с высадками и работой на поверхности может стоить $93 млрд).
Жизни на Марсе нет
В том представлении, которое лелеяли писатели-фантасты. Исследования Марса специальными аппаратами начались в 1960-х: СССР, США и Европа запускали к нему межпланетные станции и корабли с марсоходами в поисках свидетельств существования грандиозной марсианской цивилизации, которая, возможно, породила и человеческую. Но экзистенциальная природа надежд на обретение «создателя» на соседней Красной планете разбилась о сухие научные факты. Марсианские «каналы», которые разглядел еще в 1877 году итальянский астроном Джованни Скиапарелли, оказались не искусственными сооружениями, а оптической иллюзией. «Марсианский сфинкс», или «Лицо на Марсе», — холм, снятый станцией «Викинг-1» в 1976 году, — не выдержал более качественного фотографирования и рассеялся в 2001-м, когда над ним пролетела станция Mars Global Surveyor с камерой.
подтвердились» width=»1200″ height=»1200″ />
Этот снимок поверхности Марса, полученный в 2000 году орбитальным аппаратом Mars Global Surveyor , дал исследователям основания полагать, что планета могла быть покрыта водой в ранний период своего существования. Позднее эти основания подтвердились
Фото: NASA / Newsmakers via Getty Images
Зато что точно есть на Марсе, так это пылевые бури, которые периодически окутывают планету целиком (вместе с роверами на ее поверхности, мешая им заряжать солнечные батареи и исправно работать). Штормы на Марсе тем не менее, несравнимы по силе с земными: они не перевернут тяжелый марсоход и не свалят с ног незадачливого астронавта (как в фильме «Марсианин» Ридли Скотта).
Планета на порядок легче Земли, лишенная магнитного поля и постоянно теряющая атмосферу из-за мощного солнечного ветра, все еще первая в списке на колонизацию у космических энтузиастов. Условия на ней крайне враждебны для человека: средняя температура -63 °С, атмосфера на 95% состоит из углекислого газа, почва требует тщательной подготовки для выращивания растений, но этот «запасной аэродром» все же возможен, пусть и теоретически. Если человек когда-нибудь высадится на Марсе со всеми инструментами для долгосрочного пребывания, спасаться от радиации, вероятнее всего, он будет в марсианских пещерах, глубину которых ученые оценивают в десятки метров.
Как будет выглядеть жизнь на Марсе
Ткань Вселенной «волнуется»
В 1916 году физик-теоретик Альберт Эйнштейн сформулировал общую теорию относительности (ОТО), в которой предсказал существование гравитационных волн, испускаемых столкновениями очень тяжелых объектов в галактиках. Ровно через столетие американский детектор LIGO (Laser Interferometric Gravitational-wave Observatory) уловил сигнал от слияния двух черных дыр массами 36 и 29 солнечных масс, пришедший с расстояния 1,3 млрд световых лет. С помощью европейского детектора Virgo в дальнейшем были зафиксированы волны в созвездии Гидры, что в 130 млн световых лет от Земли: там столкнулись две нейтронные звезды 1,1 и 1,16 массы Солнца. Уже в 2019-м детекторы засекли 39 подобных событий, а в 2020-м — столкновение черных дыр на расстоянии 2,4 млрд лет от нас.
Взрывы, слияния и странствия: что происходит с черными дырами
Фотографии черных дыр
До того как в 2019-м году проект Event Horizon Telescope получил первую в истории фотографию силуэта черной дыры, эти объекты существовали только в математических формулах и в представлении художников (к слову, в фильме «Интерстеллар» Кристофера Нолана благодаря консультации астрофизика Кипа Торна визуализировали максимально близкую к реальности модель такого объекта — так получилась впечатляющая черная дыра «Гаргантюа», в которую упал астронавт Купер и обнаружил в ней книжный шкаф).
Черная дыра в центре галактики M87, очерченная излучением раскаленного газа, который, вращаясь вокруг нее, образует кольцо. 10 апреля 2019 года
Фото: National Science Foundation via Getty Images
В самом центре эллиптической галактики M87 на расстоянии 53,5 млн световых лет нашлась примерно такая: искали ее, объединив усилия по всему миру, более 200 ученых свыше 20 лет. Масса объекта превышала солнечную в 6,5 млрд раз, наблюдали его в 2017 году, но данные обрабатывали еще два года, чтобы получить в итоге изображение «тени» черной дыры — огненного кольца, окружающего чернеющую пустоту в центре, которая обладает такой чудовищной гравитацией, что ни один фотон не может ее покинуть.
В 2022 году миру явили вторую грандиозную фотографию — черной дыры Стрелец А* в центре нашей галактики, Млечного Пути. Ее масса — 4,3 млн солнечных масс, и ученым удалось разглядеть Стрельца А* за множеством звезд и пылевых облаков, из которых состоят галактические рукава.
Млечный Путь необъятен
По крайней мере для имеющихся у человечества технологий на данный момент. Протяженность нашей галактики — 100 тыс. световых лет, Солнце преодолевает вращение вокруг ее центра за 225–250 млн лет (то есть в последний раз, когда наша система находилась на противоположном краю галактического диска, по Земле гуляли динозавры). В ней содержится до 400 млрд звезд и по меньшей мере столько же планет. В настоящее время с помощью космических телескопов «Кеплер» и TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) открыто свыше 5 тыс. экзопланет, некоторые находятся в звездных системах, обладающих условиями для зарождения жизни. Например, система Trappist-1 в созвездии Водолея с землеподобными планетами или Kepler 422 в созвездии Лиры.
Что такое экзопланеты и как ищут жизнь во Вселенной
Солнечная же система расположена в радиусе около 27 тыс. световых лет от центра Галактики, на внутреннем краю рукава Ориона, в отдалении от активного звездообразования, благодаря чему у земной жизни в распоряжении оказалось достаточно относительно спокойного времени для развития.
Фото: Ethan Miller / Getty Images
Чтобы оценить, насколько масштабны расстояния в галактике (и во Вселенной), достаточно того факта, что радиосигналы, испускаемые Землей в открытый космос больше столетия, разлетелись на «жалкие» 200 световых лет, а космический аппарат Voyager-1 за время путешествия, начавшегося в 1977 году со скоростью 61,2 тыс. км/ч, покинул Солнечную систему только в августе 2012 года, но все еще находится в пределах гелиосферы и сможет окончательно «вылететь» из нее через сотни тысяч лет.
Почему за всю историю лишь два корабля сумели покинуть Солнечную систему
Вода и воздух в Солнечной системе
Есть не только на Земле. Подледные океаны на спутниках Юпитера манят ученых: вот бы доставить к ним космический аппарат с мощной буровой установкой и запустить исследовательский зонд прямо в пучины. Европейское космическое агентство вовсю готовит к запуску в апреле 2023 года миссию JUICE (Jupiter Icy Moons Exprorer) по исследованию ледяных спутников Юпитера — Европы, Каллисто и Ганимеда. Станция будет летать по их орбитам и собирать данные. О приземлении речи пока не идет, но надежда есть — фантазии всегда так или иначе приближали наступление прогресса.
Не менее привлекателен для ученых и спутник Сатурна Титан. Он укутан плотными азотными облаками, которые плывут над метановыми и этановыми озерами и выпадают дождями. И хотя температура там очень низкая (до -180 °C), а гравитация в семь раз меньше земной (что опасно для мышц и костей), отправить туда хотя бы роботизированные механизмы человечество может. Зонд Huygens уже высаживался на поверхности Титана в 2005 году и передал Земле ценные данные о спутнике (в том числе записал, как гудит ветер на Титане).
JUICE, исследовательский аппарат Европейского космического агентства. В ходе миссии он будет наблюдать за Юпитером и его тремя спутниками — Ганимедом, Каллисто и Европой, на которых, как ученые предполагают, возможны формы жизни
Еще один спутник Сатурна, Энцелад, тоже обладает секретом: под ледяной коркой поверхности находится соленый океан, который согревается внутренним теплом в недрах и приливным тепловыделением и существует около 1 млрд лет — достаточно для зарождения жизни. Океан «выдал» себя через гейзеры, которые планета испускает далеко в космос: в молекулах выброшенной воды аппарат Cassini обнаружил свидетельство гидротермальной активности, необходимой для возникновения живых организмов (по крайней мере на Земле именно гидротермальные отверстия на дне океанов, где магма взаимодействовала с соленой водой, дали толчок для создания сложного химического состава, считают ученые).
Достоверно неизвестно, есть ли на Энцеладе жизнь, но Американское космическое агентство уже сообщило, что располагает инструментом для будущих исследований этого вопроса. Это устройство Ocean Worlds Life Surveyor (OWLS), которое может собирать образцы воды во время полета через гейзерные шлейфы на спутнике Сатурна.
Луна, далее везде. Каких свершений ждать от исследователей космоса в 2023 году
В последнее время космос становится таким же популярным, как в 1960-е годы, когда только начиналось его освоение и шла настоящая космическая гонка между двумя (тогда еще только двумя) космическими державами — СССР и США. Ну, может быть, дети и не возвращаются из детского сада с твердым намерением стать космонавтом, однако же все мы с интересом ждем, кто, когда и куда долетит и высадится.
Прошлый год завершился успешным запуском беспилотного корабля «Орион» миссии «Артемида-1», облетевшего Луну в рамках подготовки к уже пилотируемому полету и высадке. Что же готовит наступивший 2023 год?
- НАСА успешно запустило к Луне миссию «Артемида»
- Японский миллиардер рассказал, кого возьмет к Луне. Среди восьми добровольцев — диджей и звезда K-pop
- Эмблема Космических сил США оказалась очень похожа на логотип Star Trek
Лунные миссии
После успеха лунной орбитальной миссии корабля «Орион» НАСА намерено этот успех развить и послать новые экспедиции, по ходу которых будут проведены научные эксперименты и испытано оборудование в преддверии пилотируемого полета к Луне. Он запланирован на 2025 год.
В частности, НАСА отправит на Луну первый посадочный модуль Nova-C, который должен прилуниться в районе Океана Бурь и доставить пять посылочек с научным оборудованием, которое потом понадобится астронавтам.
Низкочастотные радиопередатчики, сенсоры и фото- и видеокамеры будут испытаны в автономном режиме, чтобы определить, насколько эффективно они справляются со сбором и передачей данных, что может пригодиться для будущих пилотируемых миссий.
В рамках подготовки к новой высадке на Луну с помощью первой ракеты-носителя Vulcan Centaur будет отправлена и посадочная капсула Peregrine.
Эта капсула, оборудованная пятью маневровыми двигателями, будет использоваться для доставки грузов на поверхность Луны.
Космический туризм
Сразу два рейса с космическими туристами, раскошелившимися на 10-дневный отпуск на орбите, стартуют в этом году к МКС. Это дорогое удовольствие — около 60 млн долларов, но зато и виды из иллюминатора станции открываются фантастические. Впрочем, кому-то в новом году повезет еще больше.
Японский миллиардер Юсаку Маэдзава уже назвал имена восьми счастливчиков, которых он бесплатно возьмет с собой в путешествие к Луне на космическом корабле Starship компании SpaceX Илона Маска.
Маэдзава, уже побывавший на орбите в 2021 году (он летал в качестве туриста на Международную космическую станцию на российском «Союзе»), надеется вернуться в космос и отправиться на орбиту Луны в рамках проекта под названием dearMoon («Дорогая Луна»). Полет должен продлиться около недели, правда, посадка на спутник Земли в его программу не входит.
На МКС и обратно
В последние годы мы уже привыкли к тому, что корабль Crew Dragon компании Space X стал для МКС рейсовым автобусом: он точно по расписанию доставляет туда грузы и меняет экипажи станции. Расписание «Дракона» на новый год остается прежним, но теперь на маршрут выйдет еще и Boeing CST-100 Starliner.
Starliner — это космический аппарат (условно) многоразового использования, предназначенный для доставки экипажей на МКС и на другие объекты низкой орбиты, за работой которого нам впервые удастся понаблюдать в новом году.
Корабль набит разными современными приспособлениями и, конечно же, оснащен интернетом, а «условно многоразовый» он потому, что рассчитан не более чем на 10 запусков (что по меркам таких пусков весьма много).
Ледяные луны Юпитера
Что это было?
Мы быстро, просто и понятно объясняем, что случилось, почему это важно и что будет дальше.
Конец истории Реклама подкастов
Европейское космическое агентство (ЕКА) тоже не намерено отставать от конкурентов и в апреле планирует запустить аппарат Jupiter Icy Moons Explorer (JUICE, Исследователь ледяных лун Юпитера). О его задачах можно судить уже по названию: в ходе миссии, которая продлится 13 лет, будут изучены три спутника Юпитера — Ганимед, Каллисто и Европа — под поверхностью которых, как считается, есть большие запасы воды, а значит, потенциально их можно сделать обитаемыми.
В 2031 году, если все пойдет по плану, JUICE долетит до Юпитера, пролетит мимо изучаемых спутников, а в декабре 2034 года приблизится к Ганимеду и станет первым космическим кораблем, попавшим на орбиту чужой луны.
НАСА тем временем тоже не будет сидеть сложа руки и в октябре, воспользовавшись услугами частной аэрокосмической компании Илона Маска SpaceX, отправит к крупному железо-никелевому астероиду Психея корабль Falcon Heavy.
Запуск должен был состояться еще в 2022 году, однако его пришлось отложить из-за сбоев в программном обеспечении и других технических трудностей. Зато уж когда Falcon Heavy туда доберется, он заодно совершит облет Марса.
Совершенно секретно!
Конечно, всем нам хотелось бы побольше узнать о новых космических программах, но, увы, космосом интересуются не только гражданские, но и военные, так что много информации по-прежнему засекречено.
К примеру, недавно созданный новый вид вооруженных сил США, Космические силы, планируют в этом году запустить несколько своих ракет, но что и зачем они доставят в космос, остается загадкой.
Впрочем, некоторыми секретами американцы все же делятся: в 2022 году они сообщили, что их экспериментальный военный автономный космический самолет X-37B поставил рекорд пребывания на орбите — 908 дней. Так что не исключено, что в наступившем году мы еще услышим о нем.
Тем временем Россия, успевшая создать собственные Военно-космические силы раньше США (хоть какая-то победа в старой космической гонке), объявила о том, что к 2024 году выходит из программы МКС.
По словам нового главы «Роскосмоса» Юрия Борисова, космическая отрасль находится в непростой ситуации, поэтому теперь корпорация-монополист будет главным образом работать на российскую экономику: предоставлять услуги по навигации, связи и передаче метеоданных.
Что мешает людям летать в космосе со скоростью света
Мы, люди, одержимы скоростью. Так, только за последние несколько месяцев стало известно о том, что студенты в Германии поставили рекорд скорости для электромобиля, а ВВС США планируют так усовершенствовать гиперзвуковые самолеты, чтобы те развивали скорость в пять раз превышающую скорость звука, т.е. свыше 6100 км/ч.
У таких самолетов не будет экипажа, но не потому, что люди не могут передвигаться с такой высокой скоростью. На самом деле люди уже перемещались со скоростью, которая в несколько раз выше скорости звука.
Однако существует ли предел, преодолев который наши стремительно несущиеся тела уже не смогут выдерживать перегрузки?
Нынешний рекорд скорости поровну принадлежит трем астронавтам, которые участвовали в космической миссии «Аполлон 10», — Тому Стаффорду, Джону Янгу и Юджину Сернану.
В 1969 году, когда астронавты облетели вокруг Луны и возвращались обратно, капсула в которой они находились, развила скорость, которая на Земле равнялась бы 39,897 км/час.
«Я думаю, что сто лет назад мы вряд ли могли себе представить, что человек сможет перемещаться в космосе со скоростью почти в 40 тысяч километров в час», — говорит Джим Брей из аэрокосмического концерна Lockheed Martin.
Брей — директор проекта обитаемого модуля для перспективного корабля «Орион» (Orion), который разрабатывается Космическим агентством США НАСА.
По замыслу разработчиков, космический корабль «Орион» – многоцелевой и частично многоразовый — должен выводить астронавтов на низкую орбиту Земли. Очень может быть, что с его помощью удастся побить рекорд скорости, установленный для человека 46 лет назад.
Новая сверхтяжелая ракета, входящая в Систему космических пусков (Space Launch System), должна, согласно плану, совершить свой первый пилотируемый полет в 2021 году. Это будет облет астероида, находящегося на окололунной орбите.
Что это было?
Мы быстро, просто и понятно объясняем, что случилось, почему это важно и что будет дальше.
Конец истории Реклама подкастов
Затем должны последовать многомесячные экспедиции к Марсу. Сейчас, по мысли конструкторов, обычная максимальная скорость «Ориона» должна составлять примерно 32 тысяч км/час. Однако скорость, которую развил «Аполлон 10», можно будет превзойти даже при сохранении базовой конфигурации корабля «Орион».
«Orion предназначен для полетов к различным целям в течение всего своего срока эксплуатации, — говорит Брей. – Его скорость может оказаться значительно выше той, что мы сейчас планируем».
Но даже «Орион» не будет представлять пик скоростного потенциала человека. «По сути дела, не существует другого предела скорости, с какой мы можем перемещаться, кроме скорости света», — говорит Брей.
Скорость света один миллиард км/час. Есть ли надежда, что нам удастся преодолеть разрыв между 40 тысячами км/час и этими величинами?
Удивительным образом скорость как векторная величина, обозначающая быстроту перемещения и направление движения, не является для людей проблемой в физическом смысле, пока она относительно постоянна и направлена в одну сторону.
Следовательно, люди – теоретически – могут перемещаться в пространстве лишь чуть медленнее «скоростного предела вселенной», т.е. скорости света.
Но даже если допустить, что мы преодолеем значительные технологические препятствия, связанные с созданием скоростных космических кораблей, наши хрупкие, состоящие в основном из воды тела столкнутся с новыми опасностями, сопряженными с эффектами высокой скорости.
Могут возникнуть и пока только воображаемые опасности, если люди смогут передвигаться быстрее скорости света благодаря использованию лазеек в современной физике или с помощью открытий, разрывающих шаблон.
Как выдержать перегрузки
Впрочем, если мы намерены передвигаться со скоростью свыше 40 тысяч км/час, нам придется достигать ее, а затем замедляться, не спеша и сохраняя терпение.
Быстрое ускорение и столь же быстрое замедление таят в себе смертельную опасность для организма человека. Об этом свидетельствует тяжесть телесных травм, возникающих в результате автомобильных катастроф, при которых скорость падает с нескольких десятков километров в час до нуля.
В чем причина этого? В том свойстве Вселенной, которое носит название инерции или способности физического тела, обладающего массой, противостоять изменению его состояния покоя или движения при отсутствии или компенсации внешних воздействий.
Эта идея сформулирована в первом законе Ньютона, который гласит: «Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменять это состояние».
«Состояние покоя и движение с постоянной скоростью — это нормально для человеческого организма, — объясняет Брей. — Нам скорее следует беспокоиться о состоянии человека в момент ускорения».
Около века назад создание прочных самолетов, которые могли маневрировать на скорости, привело к тому, что пилоты стали говорить о странных симптомах, вызываемых изменениями скорости и направления полета. Эти симптомы включали в себя временную потерю зрения и ощущение либо тяжести, либо невесомости.
Причина заключается в перегрузках, измеряемых в единицах G, которые представляют собой отношение линейного ускорения к ускорению свободного падения на поверхности Земли под воздействием притяжения или гравитации. Эти единицы отражают воздействие ускорения свободного падения на массу, например, человеческого тела.
Перегрузка в 1 G равна весу тела, которое находится в поле тяжести Земли и притягивается к центру планеты со скоростью 9,8 м/сек (на уровне моря).
Перегрузки, которые человек испытывает вертикально с головы до пят или наоборот, являются поистине плохой новостью для пилотов и пассажиров.
При отрицательных перегрузках, т.е. замедлении, кровь приливает от пальцев на ногах к голове, возникает чувство перенасыщения, как при стойке на руках.
«Красная пелена» (чувство, которое испытывает человек, когда кровь приливает к голове) наступает, когда распухшие от крови, полупрозрачные нижние веки поднимаются и закрывают зрачки глаз.
И, наоборот, при ускорении или положительных перегрузках кровь отливает от головы к ногам, глаза и мозг начинают испытывать недостаток кислорода, поскольку кровь скапливается в нижних конечностях.
Сначала зрение туманится, т.е. происходит потеря цветного зрения и накатывает, что называется, «серая пелена», потом наступает полная потеря зрения или «черная пелена», но человек остается в сознании.
Чрезмерные перегрузки ведут к полной потере сознания. Это состояние называют обмороком, вызванным перегрузкой. Многие пилоты погибли из-за того, что на их глаза опускалась «черная пелена» — и они разбивались.
Среднестатистический человек может вынести перегрузку примерно в пять G, прежде чем потеряет сознание.
Пилоты, одетые в специальные противоперегрузочные комбинезоны и обученные особым образом напрягать и расслаблять мышцы торса для того, чтобы кровь не отливала от головы, способны управлять самолетом при перегрузках примерно в девять G.
«На протяжении коротких периодов времени человеческое тело может переносить гораздо более сильные перегрузки, чем девять G, — говорит Джефф Свентек, исполнительный директор Ассоциации аэрокосмической медицины, расположенной в городе Александрия, штат Вирджиния. — Но выдерживать высокие перегрузки на протяжении длительного периода времени способны очень немногие».
Мы, люди, в состоянии переносить огромные перегрузки без тяжких травм, правда, только в течение нескольких мгновений.
Рекорд кратковременной выносливости поставил капитан ВВС США Эли Бидинг-младший на авиабазе Холломэн в штате Нью-Мексико. В 1958 году он при торможении на специальных санях с ракетным двигателем после разгона до 55 км/ч за 0.1 секунду испытал перегрузку в 82.3 G.
Этот результат зафиксировал акселерометр, закрепленный у него на груди. На глаза Бидинга также упала «черная пелена», но он отделался только синяками во время этой выдающейся демонстрации выносливости человеческого организма. Правда, после заезда он провел три дня в госпитале.
А теперь в космос
Астронавты, в зависимости от средства передвижения, также испытывали довольно высокие перегрузки — от трех до пяти G — во время взлетов и при возвращении в плотные слои атмосферы соответственно.
Эти перегрузки переносятся сравнительно легко, благодаря разумной идее пристегивать космических путешественников к креслам в положении лежа лицом по направлению полета.
По достижении стабильной крейсерской скорости в 26 000 км/ч на орбите астронавты ощущают скорость не больше, чем пассажиры коммерческих авиарейсов.
Если перегрузки не будут представлять собой проблему для длительных экспедиций на кораблях «Орион», то с мелкими космическими камнями – микрометеоритами – все сложнее.
Эти частицы размером с рисовое зернышко могут развивать впечатляющие и при этом разрушительные скорости до 300 тысяч км/час. Для обеспечения целостности корабля и безопасности его экипажа «Орион» оснащен внешним защитным слоем, толщина которого варьируется от 18 до 30 см.
Кроме того, предусмотрены дополнительные экранирующие щиты, а также используется хитроумное размещение оборудования внутри корабля.
«Чтобы не лишиться полетных систем, жизненно важных для всего космического корабля, мы должны точно рассчитывать углы подлета микрометеоритов», — говорит Джим Брей.
Будьте уверены: микрометеориты – не единственная помеха для космических экспедиций, во время которых высокие скорости полета человека в безвоздушном пространстве будут играть все более важную роль.
В ходе экспедиции к Марсу придется решать и другие практические задачи, например, по снабжению экипажа продовольствием и противодействию повышенной опасности раковых заболеваний из-за воздействия на человеческий организм космической радиации.
Сокращение времени в пути снизит остроту таких проблем, поэтому быстрота перемещения будет становиться все более желаемой.
Космические полеты следующего поколения
Эта потребность в скорости воздвигнет новые препятствия на пути космических путешественников.
Новые корабли НАСА, которые угрожают побить рекорд скорости «Аполлона 10», по-прежнему будут полагаться на испытанные временем химические системы ракетных двигателей, используемые со времен первых космических полетов. Но эти системы обладают жесткими ограничениями скорости по причине высвобождения малых величин энергии на единицу топлива.
Поэтому, чтобы существенно увеличить скорость полета для людей, отправляющихся на Марс и далее, необходимы, как признают ученые, совершенно новые подходы.
«Те системы, которыми мы располагаем сегодня, вполне в состоянии доставить нас туда, — говорит Брей, — однако все мы хотели бы стать свидетелями революции в двигателях».
Эрик Дэвис, ведущий физик-исследователь в Институте перспективных исследований в Остине, штат Техас, и участник программы НАСА по прорывным разработкам в физике движения, шестилетнего исследовательского проекта, завершившегося в 2002 году, выделил три наиболее перспективных средства, с точки зрения традиционной физики, способных помочь человечеству достичь скоростей, разумно достаточных для межпланетных путешествий.
Если коротко, речь идет о явлениях выделения энергии при расщеплении вещества, термоядерном синтезе и аннигиляции антиматерии.
Первый метод заключается в делении атомов и применяется в коммерческих ядерных реакторах.
Второй, термоядерный синтез, заключается в создании более тяжелых атомов из простых атомов – такого рода реакции питают энергией Солнце. Это технология, которая завораживает, но не дается в руки; до ее обретения «всегда остается еще 50 лет» — и так будет всегда, как гласит старый девиз этой отрасли.
«Это весьма передовые технологии, — говорит Дэвис, — но они основаны на традиционной физике и прочно утвердились еще на заре Атомного века». По оптимистическим оценкам, двигательные системы, основанные на концепциях деления атомов и термоядерном синтезе, в теории, способны разогнать корабль до 10% скорости света, т.е. до весьма достойных 100 миллионов км/час.
Наиболее предпочтительный, хотя и труднодостижимый источник энергии для быстрого космического корабля — это антиматерия, двойник и антипод обычной материи.
Когда два вида материи приходят в соприкосновение, они уничтожают друг друга, в результате чего выделяется чистая энергия.
Технологии, позволяющие вырабатывать и хранить – пока крайне незначительные – количества антиматерии, существуют уже сегодня.
В то же время производство антивещества в полезных количествах потребует новых специальных мощностей следующего поколения, а инженерной мысли придется вступить в конкурентную гонку по созданию соответствующего космического корабля.
Но, как говорит Дэвис, немало отличных идей уже прорабатывается на чертежных досках.
Космические корабли, приводимые в движение энергией антиматерии, смогут перемещаться с ускорением в течение нескольких месяцев и даже лет и достигать более существенных процентов от скорости света.
При этом перегрузки на борту будут оставаться приемлемыми для обитателей кораблей.
Вместе с тем, такие фантастические новые скорости будут таить в себе и иные опасности для организма человека.
Энергетический град
На скорости в несколько сот миллионов километров в час любая пылинка в космосе, от распыленных атомов водорода до микрометеоритов, неизбежно становится пулей, обладающей высокой энергией и способной прошить корпус корабля насквозь.
«Когда вы передвигаетесь с очень высокой скоростью, это означает, что частицы, летящие вам навстречу, движутся с теми же скоростями», — говорит Артур Эдельстайн.
Вместе с покойным отцом, Уильямом Эдельстайном, профессором радиологии в Медицинской школе Университета имени Джона Хопкинса, он работал над научным трудом, в котором рассматривались последствия воздействия атомов космического водорода (на людей и технику) во время сверхбыстрых космических путешествий в космосе.
Хотя его содержание не превышает одного атома на кубический сантиметр, рассеянный в космосе водород может приобрести свойства интенсивной радиационной бомбардировки.
Водород начнет разлагаться на субатомные частицы, которые будут проникать внутрь корабля и подвергать воздействию радиации как экипаж, так и оборудование.
На скорости, равной 95% скорости света, воздействие такой радиации будет означать почти мгновенную смерть.
Звездолет нагреется до температур плавления, перед которыми не устоит ни один мыслимый материал, а вода, содержащаяся в организме членов экипажа, немедленно закипит.
«Это все крайне неприятные проблемы», — замечает Эдельстайн с мрачным юмором.
Он и его отец приблизительно подсчитали, что для создания некоей гипотетической системы магнитной защиты, способной оградить корабль и находящихся в нем людей от смертоносного водородного дождя, звездолет может перемещаться со скоростью, не превышающей половины скорости света. Тогда люди на борту имеют шанс выжить.
Марк Миллис, физик, занимающийся проблемами поступательного движения, и бывший руководитель программы НАСА по прорывным разработкам в физике движения, предупреждает, что этот потенциальный предел скорости для полетов в космосе остается пока проблемой отдаленного будущего.
«На основании физических знаний, накопленных к настоящему времени, можно сказать, что развить скорость свыше 10% от скорости света будет крайне трудно, — говорит Миллис. – Опасность нам пока не угрожает. Простая аналогия: зачем переживать, что мы можем утонуть, если мы еще даже не вошли в воду».
Быстрее света?
Если допустить, что мы, так сказать, научились плавать, сможем ли мы тогда освоить скольжение по космическому времени — если развивать дальше эту аналогию — и летать со сверхсветовой скоростью?
Гипотеза о врожденной способности к выживанию в сверхсветовой среде хотя и сомнительна, но не лишена определенных проблесков образованной просвещенности в кромешной тьме.
Один из таких интригующих способов перемещения основан на технологиях, подобных тем, что применяются в «варп-двигателе» или «двигателе искривления» из сериала «Звездный путь».
Принцип действия этой силовой установки, известной еще как «двигатель Алькубьерре»* (названного по фамилии мексиканского физика-теоретика Мигеля Алькубьерре), состоит в том, что он позволяет кораблю сжимать перед собой нормальное пространство-время, описанное Альбертом Эйнштейном, и расширять его позади себя.
По существу, корабль перемещается в некоем объеме пространства-времени, своеобразном «пузыре искривления», который движется быстрее скорости света.
Таким образом, корабль остается неподвижным в нормальном пространстве-времени в этом «пузыре», не подвергаясь деформациям и избегая нарушений универсального предела скорости света.
«Вместо того чтобы плыть в толще воды нормального пространства-времени, — говорит Дэвис, — двигатель Алькубьерре понесет вас, как серфингиста, несущегося на доске по гребню волны».
Есть тут и определенный подвох. Для реализации этой затеи необходима экзотическая форма материи, обладающая отрицательной массой, чтобы сжимать и расширять пространство-время.
«Физика не содержит никаких противопоказаний относительно отрицательной массы, — говорит Дэвис, — но никаких ее примеров нет, и мы никогда не встречали ее в природе».
Существует и другой подвох. В опубликованной в 2012 году работе исследователи из Университета Сиднея предположили, что «пузырь искривления» будет накапливать заряженные высокой энергией космические частицы, поскольку неизбежно начнет взаимодействовать с содержимым Вселенной.
Некоторые частицы будут проникать внутрь самого пузыря и накачивать корабль радиацией.
Застрявшие в досветовых скоростях?
Неужели мы так и обречены застрять на этапе досветовых скоростей по причине нашей деликатной биологии?!
Речь ведь не столько о том, чтобы установить новый мировой (галактический?) рекорд скорости для человека, сколько о перспективе превращения человечества в межзвездное общество.
Со скоростью в половину скорости света — а это тот предел, который, согласно данным изысканий Эдельстайна, способен выдержать наш организм — путешествие к ближайшей звезде в оба конца займет более 16 лет.
(Эффекты расширения времени, под воздействием которых для экипажа звездолета в его системе координат пройдет меньше времени, чем для людей, оставшихся на Земле в своей системе координат, не приведут к драматическим последствиям на скорости, составляющей половину скорости света).
Марк Миллис полон надежд. Принимая во внимание, что человечество изобрело противоперегрузочные костюмы и защиту от микрометеоритов, позволяющие людям безопасно путешествовать в великой голубой дали и усеянной звездами черноте космоса, он уверен, что мы сможем найти способы выживания, на какие бы скоростные рубежи не вышли в будущем.
«Те же самые технологии, которые смогут помочь нам достигать невероятных новых скоростей перемещения, — размышляет Миллис, — обеспечат нас новыми, пока неведомыми возможностями для защиты экипажей».
Примечания переводчика:
*Мигель Алькубьерре выдвинул идею своего «пузыря» в 1994 году. А в 1995 году российский физик-теоретик Сергей Красников предложил концепцию устройства для космических путешествий быстрее скорости света. Идея получила название «трубы Красникова».
Это искусственное искривление пространства времени по принципу так называемой кротовой норы. Гипотетически корабль будет двигаться по прямой от Земли к заданной звезде сквозь искривленное пространство-время, проходя через другие измерения.
Согласно теории Красникова, космический путешественник вернется обратно в то же самое время, когда он отправился в путь.
Прочитать оригинал этой статьи на английском языке можно на сайте BBC Future.