Часть моей серии статей о распространенных заблуждениях в космической журналистике.
«Без магнитного поля у Марса нет защиты от жесткой солнечной радиации. Если бы я подвергся ей, у меня было бы столько рака, что у моего рака был бы рак.»
― Энди Вейр, «Марсианин»
«Марсианин» — один из самых научно достоверных фантастических романов, когда‑либо написанных. В предыдущем посте я оценил его техническую точность на «пять с плюсом». Энди — умный человек, который не жалеет усилий на исследования и стремится к точности.
Тем не менее, и он попал под распространенное заблуждение, что люди, путешествующие в космосе, будут подвергаться такому воздействию радиации, что их лица расплавятся, как у нацистов в фильме про Индиану Джонса.
Радиоактивность остается относительно малоисследованной областью химии и физики. Страх перед радиацией серьезно навредил ядерной энергетике, а ограничения на распространение технологий гарантировали относительную редкость экспертов в этой области. Мало тем, помимо религии, которые вызывают такую поляризацию мнений!
В больших дозах или при быстром воздействии радиация может причинить серьезный вред и привести к смерти. Этот выпуск XKCD дает отличный обзор различных уровней радиации, которым могут подвергаться люди:
Оказывается, поверхность Земли — радиоактивное место, и всегда была таковой. Мы постоянно подвергаемся мягкой бомбардировке «фоновой радиацией», которая включает галактические космические лучи и продукты распада к радиоактивных элементов (ак естественных, так и искусственных) в окружающий среде.
По мере подъема в атмосфере интенсивность радиации постепенно увеличивается. Пилоты и жители гор получают сравнительно большую дозу. Астронавты на орбите получают еще больше. Астронавты, покидающие орбиту Земли для полета на Луну, получают еще больше, особенно при пересечении поясов Ван Аллена.
В космосе, вдали от радиоактивных пород, существует множество источников радиации, которые потенциально могут причинить вред жизни. К ним относятся ультрафиолетовое солнечное излучение, солнечный ветер и космические лучи. Есть также несколько мест с экстремальными уровнями радиации, например, внутри магнитосферы Юпитера, но в настоящее время относительно легко избежать физического посещения таких мест!
Марсоход Curiosity несет специальный прибор, разработанный для измерения радиации (RAD), поглощаемой человеком при полете на Марс и жизни на его поверхности. С 2012 года этот прибор помог нам прояснить многие вопросы: например, теперь мы знаем, какие дозы получили бы астронавты, летящие на Марс. Есть две основные фазы миссии, которые следует рассматривать отдельно. Первая — это полет на Марс, который занимает около 6 месяцев и проходит в открытом космосе, вдали от любой планеты. Вторая — жизнь на поверхности Марса.
В открытом космосе доза радиации колеблется около 500 мЗв/год. Если поглотить их сразу (в течение минут или нескольких дней), 500 мЗв вызвали бы симптомы лучевой болезни, но с очень низкой вероятностью смерти. К счастью, в нашем случае получается ближе к 250 мЗв за шестимесячный полет. Как и со многими ядами, тут важна интенсивность получения этой дозы; употребление шестимесячной нормы алкоголя за один присест также было бы крайне неразумным.
Этот фон в 500 мЗв/год вызван космическими лучами, высокоэнергетическими ядерными частицами. Они легко проникают через несколько метров различных материалов, поэтому их непрактично экранировать на космическом корабле с фюзеляжем толщиной в несколько миллиметров. Также стоит отметить, что коэффициент повреждения тканей относительно низок для космических лучей по сравнению с потоками частиц, которые может переизлучить неверно выбранная «защита».
Иногда во время путешествия на Марс уровень радиации увеличивается на один или два порядка, как показано на этом графике RAD:
Эти всплески вызваны проходящими солнечными вспышками или корональными выбросами массы. Обычно это протоны, нейтроны и ядра гелия, которые движутся со значительной долей скорости света и с энергиями примерно в 1000 раз ниже, чем у космических лучей.
Эти ребята весьма опасны — фактически они, скорее всего, убили бы любого астронавта, в которого попали бы. К счастью, их более низкая энергия означает, что они могут быть экранированы всего несколькими сантиметрами таких материалов, как пластик или вода. Для космических кораблей, доставляющих людей на Марс, будет небольшая экранированная комната в центре, где экипаж может укрыться на несколько часов, пока проходит солнечная вспышка.
Далее, на поверхности Марса, уровень радиации существенно снижается, потому что сама планета блокирует космическую радиацию снизу, а даже тонкая марсианская атмосфера блокирует часть солнечного ветра сверху. В результате доза на поверхности колеблется около 200 мЗв/год, с периодическими всплесками до 250–350 мЗв/год, в зависимости от солнечной активности.
Конечно, любой астронавт, живущий на Марсе долгое время, первым делом построил бы жилище с некоторым экранированием на крыше, поэтому получал бы эквивалентную дозу в 200 мЗв/год только при путешествиях снаружи в скафандре или легком ровере. Но все же давайте прикинем, какой эффект вызвало бы получение такого количества радиации в течение всей оставшейся жизни?
Есть несколько разных подходов к этому вопросу.
С одной стороны, эта доза очень быстро превысит гражданские лимиты для работы с радиацией в нечрезвычайных ситуациях. Многие ликвидаторы в Чернобыле или Фукусиме получили гораздо больше, и всего за несколько часов, без длительных негативных последствий. Все подтвержденные смертельные случаи в Чернобыле были вызваны острым облучением в течение всего нескольких минут, а не длительным медленным воздействием. Находившиеся в комнате управления Чернобыльского реактора во время аварии люди в течение нескольких минут получили что‑то около в 10 000 000 раз большей дозы, чем на Марсе, и все они умерли.
Есть несколько мест в чернобыльской зоне отчуждения с уровнями радиации до 200 мЗв/час, например, кладбище. Не из‑за средоточения боли и страданий, просто почва там была сильно загрязнена радиоактивными осадками, и её невозможно было очистить, не тревожа могилы. Тем не менее, миллионы животных прекрасно живут в зоне отчуждения теперь, когда их главная причина преждевременной гибели (люди) была устранена. Стоит отметить, что для потенциальных посетителей Чернобыля наибольшая опасность, связанная с радиацией, — это вдыхание или проглатывание какого‑нибудь крошечного фрагмента высокорадиоактивных осадков, который затем будет облучать какой‑нибудь несчастный орган изнутри. Просто находиться даже на припятском кладбище относительно безопасно.
Когда я начал исследовать эту тему, я надеялся, что будет возможно оценить дозу, полученную первопроходцами исследования радиоактивных материалов в 1920-х годах. Смерти из‑за воздействия радия довольно известны, особенно в случае «радиевых девушек», которые красили светящейся краской часы, табло, а иногда и собственные тела. С другой стороны, хотя Мария Кюри и некоторые члены её семьи умерли в 50–60 лет из‑за болезней, связанных с радиацией, к этому времени они пережили десятилетия практически в обнимку с абсурдно мощными источниками излучения. Даже сегодня личные вещи Марии Кюри, например, её блокнот, считаются слишком радиоактивными для работы без защиты. С другой стороны, младшая дочь Кюри, Ева, зачатая и выращенная во время исследования её матерью радия, прожила до 103 лет! Короче говоря, несколько точек широко разбросанных данных. Есть ли что‑то получше?
Одна из удивительных вещей в геологических процессах Земли заключается в том, что со временем все смешивание, перемешивание, эрозия и биологические процессы могут концентрировать определенные минералы в конкретных точках (откуда мы их иногда выкапываем). Гораздо легче извлечь, например, железо из богатой рудой жилы, чем из обычного грунта. Так вот, некоторые геологические процессы так же концентрируют радиоактивные элементы, и поэтому некоторые места в мире имеют гораздо более высокие уровни фоновой радиации. Самые высокие показатели для населенных территорий зафиксированы в общине возле горячего источника в Рамсаре, Иран. Считается, что воды источника способствуют исцелению, и они насыщены радоном (радиоактивным газом).
В некоторых точках этого поселения общий фоновый уровень составляет 200 мЗв/год, что эквивалентно дозе на Марсе. Так что люди в Рамсаре должны падать замертво один за другим от радиации? Цитируя Энди Вейра, у их рака наверняка должен быть рак? Но нет, люди в Рамсаре не только живут, по‑видимому, долгой и нормальной жизнью, но там не обнаружено даже локальных повышений уровня онкологических заболеваний, которые можно было бы приписать воздействию радиации!
Впрочем, проводить долгосрочные массовые исследования людей и извлекать значимую информацию на практике очень непросто. В частности, Рамсар — не очень большой поселок, так что там изначально не так много людей, как хотелось бы для качественной статистики. Кроме того, многие из них уже в преклонном возрасте, там большая частота раковых заболеваний и других проблем со здоровьем — норма. Но самое главное, почти все взрослые жители курят, и не всегда возможно отделить раки, вызванные вдыханием дыма, от раков, вызванных вдыханием радона.
И здесь мы затронули важный момент. Было проведено сотни исследований случайного облучения, которые охватывают все: от людей, бравших в руки высокорадиоактивные источники кобальта-60, до людей, живущих в загрязненных радиоактивностью жилых домах в Тайбэе. Ни одно из этих исследований не нашло убедительных доказательств ни за, ни против большого вреда, причиняемого длительными дозами повышенной фоновой радиации. Данные то показывают, что малые дозы радиации фактически снижают риск рака, то что они не имеют эффекта вовсе, то - что незначительно повышают риск. Тут консенсуса нет.
Однако если мы проведем массовое исследование людей, подвергшихся воздействию сигаретного дыма, там есть очень четкий сигнал. Заядлые курильщики удваивают свой риск смерти от рака с 20% до 40%. Много пьющие также имеют существенно повышенные риски рака. Люди, живущие рядом с автострадами или подвергающиеся воздействию выхлопных газов бензиновых или дизельных двигателей, также подвергаются существенно повышенному риску рака и других проблем со здоровьем. Люди, которые часто получают солнечные ожоги, часто получают смертельную меланому, особенно в моей родной Австралии. Один сильный солнечный ожог удваивает риск рака. Ожирение имеет очень четкую корреляцию со вредом для здоровья и ранней смертью.
Короче, я не сомневаюсь, что длительное воздействие высоких уровней радиации — это не здорово. Но нужно его рассматривать в контексте, чтобы понять его вклад в общий риск преждевременной смерти. С одной стороны, мы знаем, что астронавты, живущие на Марсе в частично экранированных убежищах, могут подвергаться воздействию ~100 мЗв/год, что, как предполагают некоторые исследования, вызывает увеличение риска рака на несколько процентов. С другой стороны, можно надеяться, что они не будут курить, получать солнечные ожоги или вдыхать дизельные выхлопы, которые, как мы знаем, могут увеличить риск рака на 5–50%.
Более того, все космонавты изначально подвержены значительно повышенному риску преждевременной гибели по причинам, не связанным с раком. Фактически, из примерно 600 человек, побывавших в космосе, ни один не погиб и не пострадал как-то серьёзно от проблем, вызванных радиацией. В то же время около 20 космонавтов погибли во время полётов, ещё около 20 — в авариях при подготовке, а значительно большее число едва выжило в различных аварийных ситуациях. С точки зрения выбора профессии, быть космонавтом с 7%‑ной вероятностью гибели за время карьеры — не только опасно, но и невероятно почётно.
А что касается отдельной миссии? В терминологии НАСА катастрофа обозначается как Потеря Аппарата/Потеря Экипажа, и на протяжении долгого времени эксперты по анализу отказов стремились оценить риск для каждой конкретной миссии.
Согласно недавним оценкам, риск при лунных миссиях «Аполлон» составлял один к шести. Это означает, что на момент запуска у космонавтов был лишь 84% шанс вернуться живыми. Учитывая масштаб поставленной задачи, это действительно впечатляющий показатель. Он также хорошо согласуется с фактическим опытом полётов: шесть успешных посадок и одна едва предотвращённая катастрофа «Аполлона-13».
Был ли Space Shuttle намного безопаснее? Не то чтобы. Наиболее точные оценки риска катастрофы для ранних полётов составляют один к девяти, а для более поздних — до одного к девяноста. За 135 миссий мы потеряли два экипажа, так что нам действительно повезло. Большинство оценок определяют вероятность столь малых потерь примерно в 5%.
Стандартная миссия на Марс продолжительностью около 900 дней реалистично имела бы вероятность катастрофы не лучше, чем один к десяти, хотя НАСА официально стремится к показателю один к 100. В ходе такой миссии космонавт может получить дозу радиации в 1000 мЗв за три года, увеличивая пожизненный риск развития рака максимум на несколько процентов. Тут даже не важно, что миллионы людей готовы пойти на такой риск — вероятность погибнуть от других причин, помимо рака, например при неудачном запуске или возвращении, значительно выше.
Длительное пребывание на поверхности имеет иной профиль риска по сравнению с полётами шаттла, где наибольшая «концентрация риска» приходилась на запуск и посадку. Скорее можно сравнить этот риск с другими опасными профессиями в экстремальных условиях, такими как работа на научных станциях в Антарктиде или профессиональное альпинистское дело. В обоих случаях несчастные случаи относительно редки, но часто имеют катастрофические последствия, поэтому могут моделироваться распределением Пуассона. Как и в случае с бейсджампингом или ездой на мотоциклах, привыкание к риску, как правило, предопределяет исход. Единственный вопрос в том, когда закончится удача!
Перспективы для долгосрочных поселений на Марсе таковы, что люди с профессиональной квалификацией отправляются в путь в один конец и, пережив путешествие, начинают строить новую жизнь до возвращения на Землю либо до смерти по какой‑либо причине, включая естественную. Хотя большинство людей на Марсе будут жить почти полностью в помещениях с контролируемым климатом и герметичных жилых зонах, они будут находиться в промышленной среде, уязвимой для пожаров, разгерметизации, отказа систем, проектных дефектов и всего прочего, что может навредить людям в замкнутых пространствах. Люди, работающие снаружи в скафандрах, будут сталкиваться с риском утечек и неисправностей при каждом выходе, что также более чем с лихвой компенсирует повышенное воздействие фоновой радиации.
Ключевой вывод всего этого анализа в том, что если мы вдруг окажемся в ситуации, где все другие риски преждевременной смерти достаточно незначительны и, в отличие от жителей Рамсара, рак, вызванный радиацией, будет заметен в статистике, то... марсианская база будет одним из самых безопасных мест в Солнечной системе, и весь проект можно будет считать безусловным успехом.
Подводя итог: из всех факторов, которые меня беспокоят как потенциально смертельные для людей на Марсе, радиация едва ли заслуживает серьёзного упоминания.
Автор: ilvar
