NASA отправило к Луне корабль «Орион», а в нем — манекенов из эксперимента Matroshka. Что они будут делать в космосе и откуда у проекта «русское» название?
16 ноября после многочисленных переносов наконец состоялся запуск NASA, цель которого — возвращение человека на Луну. В первом испытательном полете на борту корабля «Орион» нет живых астронавтов — их роль исполняют три манекена, два из которых разработаны в рамках проекта Matroshka. Matroshka — это немецкий эксперимент по изучению радиации в межпланетном пространстве и средств защиты от нее. В немецком языке нет слова «матрешка», а в запуске американского Orion нет российского участия, поэтому кажется удивительным, что эксперимент получил «русское» название. Как так получилось — по просьбе «Медузы» объясняет популяризатор космонавтики Виталий Егоров.
Как «фантомы» из «Матрешки» помогали ученым изучать радиацию на МКС
«Матрешка» — это программа, в которой немецкие ученые совместно с российскими коллегами из Института медико-биологических проблем РАН много лет изучали радиационную обстановку на Международной космической станции. Программа стартовала еще в 2004 году, задолго до того, как новая американская лунная миссия оформилась во что-то осязаемое. Более того, это далеко не первый проект такого рода: еще в начале космической эры стало понятно, что радиация может стать серьезной проблемой для пилотируемой космонавтики, особенно для длительных полетов, поэтому ее изучение началось очень давно. Для этого применялись различные инструменты и методы измерения космических лучей, но главная цель оставалась одной и той же — определить, какое воздействие оказывает радиация на экипаж в ходе полета и как можно ее уменьшить.
С этой целью в рамках программы «Матрешка» создавались «тканеэквивалентные фантомы» — манекены, изготовленные из материала, похожего по физическим свойствам на человеческое тело, и начиненные дозиметрами и детекторами. Причем измерялись дозы и на поверхности «фантома», и внутри. Манекены «работали» как снаружи МКС, так и внутри ее отсеков, а ученые измеряли не только среднюю дозу радиации, но и то, как на нее влияет защита скафандра и как она меняется в разных частях тела.
Манекены собирались по принципу конструктора, больше похожего на детскую пирамидку, чем на матрешку, но за внешнее сходство «фантомов» с человеческой фигурой эксперимент все-таки получил свое «русское» название. В подготовке, кроме РАН, участвовало больше десятка институтов из Европы и США. На орбите эксперимент проводили российские космонавты, поэтому роль России можно назвать ключевой — это тоже повлияло на выбор названия.
Для регистрации космических лучей и вторичной радиации исследователи использовали целый набор разнообразных детекторов. Внутрь «матрешек» помещали сотни термолюминесцентных детекторов, чтобы оценить распространение космических лучей в теле. В местах расположения ключевых органов помещались ядерные твердотельные трековые детекторы. На поверхность «фантома» накладывали кремниевые датчики — их задача была в том, чтобы регистрировать дозу, получаемую кожей космонавтов. Термолюминесцентные и твердотельные детекторы позволяют узнать суммарно накопленную дозу уже после полета, а вот кремниевые могут регистрировать потоки заряженных частиц в реальном времени.
Манекены одевали в тканевую жилетку, которую сами разработчики назвали «пончо», в ее карманы тоже помещали несколько детекторов на основе кремния, а сверху надевался углепластиковый противоударный кожух. Если же «фантом» отправлялся за борт, его облачали в дополнительный слой материала, который должен был имитировать скафандр в открытом космосе — естественно, с дополнительными датчиками как снаружи, так и внутри.
Каждый из манекенов «работал» на борту МКС по году-полтора, а затем возвращался на Землю, и сегодня некоторые из них можно увидеть в Музее космонавтики в Москве. Рядом с современными «фантомами» там же лежит их «дедушка» — наземный аналог манекена, который летал еще в конце 1960-х к Луне на советском космическом корабле «Зонд-7».
Что именно будет исследовать экипаж «Ориона»
Сейчас в сторону Луны летит новая версия «Матрешки», теперь это уже Matroshka AstroRad Radiation Experiment — название стало англоязычным, потому что эксперимент проводится немцами в рамках американской программы «Артемида» без российского участия.
В «экипаж» «Ориона», который должен в тестовом беспилотном режиме совершить полет к Луне, провести на ее орбите несколько недель и вернуться на Землю, входят три манекена. Один из них — американский «командир корабля» — должен проверить динамические нагрузки на человеческое тело во время старта и посадки. Два других — «женские» Хельга и Зоар — изучают воздействие межпланетной радиации внутри корабля и внутри своих тел. Разница между напарницами — в «бронежилете от радиации» от израильских исследователей, который надет только на Зоар. Защита изготовлена из пластика, который из твердых материалов показал наиболее высокую эффективность в поглощении заряженных частиц и нейтронов.
Как ни странно, пластик в деле защиты от космической радиации эффективнее свинца. Дело в том, что водород и легкие элементы, из которых состоит полимер, дают очень мало вторичной радиации. При этом водород замедляет и поглощает вторичные нейтроны внутри космического корабля. В проекте советских лунных скафандров, кстати, также предлагалось использовать против радиации пластик, но последующие измерения счетчика Гейгера на советских лунных зондах показали, что для кратковременных полетов в принципе нет большой необходимости в такой защите.
То же самое касается и американских астронавтов программы «Аполлон» — они не предпринимали дополнительных усилий для борьбы с ионизирующим излучением из космоса. Это было продуманное и основанное на данных решение — еще до пилотируемых полетов радиацию у Луны измерили пять американских спутников Lunar Orbiter. Сами астронавты в ходе лунных миссий носили нательные детекторы, которые показывали накопленную дозу. Она оказалась в 35 раз ниже уровня, который тогда считался допустимым (11,4 мГр против 400 мГр).
Несмотря на то, что ученые измеряли космическую радиацию многие десятилетия, нынешние исследования вовсе не лишены новизны. Современные экспедиции предполагаются гораздо более длительными, чем «Аполлоны», а нормы допустимого облучения для космонавтов значительно изменились с 1970-х. Степень защищенности «Ориона» ранее проверялась только на околоземной орбите, а сложные измерения в межпланетном пространстве внутри защитного корпуса велись лишь однажды — марсоходом «Кьюриосити» на пути к Марсу.
А вот то облучение, которое имеет место внутри тел лунных астронавтов, до сих пор вообще никто не измерял. Интересно будет посмотреть и на данные об эффективности «бронелифчика», надетого на один из манекенов. Вполне может статься, что сама по себе идея в его необходимости — просто дань современной радиофобии в обществе, а не реальная потребность для лунных экспедиций, но обоснованно говорить об этом можно будет только после проведения реальных измерений. Вероятно, его эффективность лучше всего будет испытана, если корабль попадет под солнечное протонное событие, но это уже дело случая.
Лунные миссии приближают человечество к полету на Марс
Параллельно с программой «Артемида» NASA развивает международную программу «Гейтуэй». Ее цель — фактически строительство новой международной космической станции, только маленькой и у Луны.
Программа оформилась в 2017 году, хотя и претерпела с тех пор множество изменений. Изначально все модули станции и корабли «Орион» должны были отправляться к Луне с помощью сверхтяжелых ракет SLS. В этот проект была приглашена и Россия — в сентябре того же года первый директор госкорпорации «Роскосмос» Игорь Комаров подписал соглашение с NASA о намерении сотрудничать в создании станции на орбите Луны. Впоследствии Россия отказалась от участия в проекте, а сверхтяжелые (и сверхдорогие) SLS в качестве основного средства доставки модулей и грузов было решено заменить ракетами Falcon Heavy производства SpaceX Илона Маска.
Ожидается, что на «Гейтуэй» астронавты будут находиться два месяца или более, и вопросы радиационной защиты для нее более актуальны, чем для низкоорбитальной МКС или кратковременных полетов на Луну. Хотя и в проекте «Артемида» рассматривается возможность возведения долговременных станций и на поверхности Луны.
В более отдаленной перспективе можно ожидать и программу пилотируемых полетов на Марс, которая, безусловно, будет опираться на лунные технологии. Длительность такого полета будет составлять 4-6 месяцев в межпланетной среде — практически такой же, в которой будет летать «Орион». Это еще раз показывает, что нынешний запуск к Луне — это очередной шажок к достижению Красной планеты.
Виталий Егоров