Освоение Луны




Четверг
25.05.2017
07:50
Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0

Приветствуем Вас Гость
RSS
ГлавнаяРегистрацияВход
Разделы новостей
Вселенная
Модели и космология
Млечный путь
Новости из глубокого космоса
Межпланетные новости
Пороги новой космической эры
Космическая гонка
Ведущие космические державы заявляют о своих планах
Лунные программы
Анонсирование программ по освоению Луны
Земная орбита
Космические отели и гигантская свалка
Идеи и люди
Открытия и сегодняшняя реальность
Публичные расследования
Контроль за организациями, связанными с Космосом
На Земле
Главные события на родной планете
Online фильмы
Фантастика и документальные фильмы о Космосе и Земле
Форма входа

Календарь новостей
«  Апрель 2013  »
ПнВтСрЧтПтСбВс
1234567
891011121314
15161718192021
22232425262728
2930
Итоги исследований
Наш опрос
По Вашему мнению, провозгласит ли Лунная республика независимость?
Всего ответов: 155
Поиск
Карта города Alliga Ter



Реклама:
Статистика
Рассылки Subscribe.Ru
Освоение космоса

Рейтинг@Mail.ru
Человек: перспективы и ресурсы - управление нервной системой
2007 © В Рунете ресурс входит
TOП-30 наука, психология
TOП-5 научные общества
TOП-5 наука, психология


Главная » 2013 » Апрель » 2 » Дозы радиации в окололунном пространстве. Рентгеновское излучение Солнца по данным GOES
Дозы радиации в окололунном пространстве. Рентгеновское излучение Солнца по данным GOES
21:19
Характерной особенностью рентгеновского излучения является очень короткая длина волны, что позволяет этому виду электромагнитных волн нести большую энергию и придает ему высокую проникающую способность. В отличие от света, рентгеновские лучи способны проникать сквозь тело человека ("просвечивать его").

Во время прохождения через организм человека рентгеновские лучи "разбивают" сложные молекулы и атомы ДНК человека на заряженные частицы и активные молекулы.

В отличие от протонного ливня и солнечного ветра, опасность которых можно предупредить за час, рентгеновское излучение распространяется со скоростью света. Заблаговременно предупредить об их "приближении" физически невозможно. По этой причине рентгеновские лучи могут представлять собой неожиданную и серьезную угрозу для человека на Луне.

Как и в случае других видов радиации, опасным считается только рентгеновское излучение определенной интенсивности, которое воздействует на организм человека в течение достаточно долгого промежутка времени.


СОДЕРЖАНИЕ
  • Данные спутника GOES за 30 лет
  • Список протонных солнечных событий с 1996 по 2013 год
  • Дозы радиации от солнечных протонных событий для разных значений защиты модуля в окололунном пространстве
  • Радиационные требования к лунным поселениям
  • Данные спутника ACE с 1996 по 2013 год
  • Дозы радиации от солнечного ветра для разных значений защиты модуля в окололунном пространстве
  • Американские ученые о радиационном риске рентгеновского излучения от Солнца
  • Данные рентгеновского излучения Солнца по GOES с 2012 по 2013 год
  • Данные рентгеновского излучения Солнца по GOES за 30 лет
  • Дозы радиации от рентгеновского излучения в окололунном пространстве
  • Радиационные требования к лунному скафандру
  • Галактические космические лучи
  • Окна для безопасного освоения Луны




Американские ученые о радиационном риске рентгеновского излучения от Солнца

Дэвид Смит (David Smith) из лаборатории лунных и планетных исследований в г. Таксон, штат Аризона, и Джон Скало (John Scalo) из техасского университета в г. Остин провели исследование по радиационному риску рентгеновского излучения [1].

Проведенные учеными расчеты показали, что астронавт в околоземном или окололунном космическом пространстве в  современном скафандре за 100 часов с вероятностью 10% получит опасную для здоровья и жизни дозу радиации. Пороговый уровень поглощенной дозы ионизирующего излучения был определен в 0,1 Грэй (10 рад). При дозе в 0,1 Грэй возможны внутренние кровоизлияния, растет риск развития злокачественных новообразований.

Рис. 1. Поглощенная доз радиации от массовой защиты полимера (представляющая защиту текущих скафандров) для рентгеновской вспышки 1031 эрг в зависимости от спектрального индекса. Доза радиации чувствительная к массовой защите и спектральному индексу вспышки.  Для снижения дозы рентгеновского излучения до уровня ниже наших приняты максимально допустимые острой дозы 0,1 Гр массовая толщина полимера должна быть выше 2 г/ см2.

В работе сравнивается эффективность защиты из трансэквивалентного вещества и алюминия.


Рис. 2. Поглощенная доз радиации от массовой защиты алюминия (представляющая  текущее исследование для защиты скафандров) для рентгеновской вспышки 1031 эрг в зависимости от спектрального индекса. Алюминий имеет более высокий атомный номер, чем углерод в полимерах (13 против 6) и поглощает рентгеновские лучи гораздо более эффективно. Для 2 г/ см2 из алюминия доза радиации уменьшается ниже 0,05 Гр.

Исследования показывают, что предпочтение имеет защита из алюминия, чем из полимеров.

В работе сделано заключение, что современные средств защиты от рентгеновского излучения представляет собой новую серьезную проблему – для ее существенного снижения в расчете на одного астронавта необходим, по расчетам ученых, алюминиевый «зонтик» площадью 2-3 квадратных метра и массой 14-21 кг.

Данная работа проводилась, как часть исследований NASA по астробиологии по программе Экзобиология, гранты NNG04GK43G 2007 г.





В настоящей работе проведено независимое исследование результатов американских ученых.


Данные рентгеновского излучения Солнца по GOES с 2012 по 2013 год

На рис. 3 приведены потоки рентгеновского излучения от Солнца за 2012 и 2013 года [2].


Рис. 3. Изменения интенсивности рентгеновского излучения и дозы радиации рад/сек с 2012 по 2013 год. Нелинейная шкала слева – уровни потока рентгеновского излучения от Солнца по данным спутника GOES, нелинейная шкала справа – доза радиации в единицах рад в секунду человека в скафандре с эффективной защитой 0,25 г/см2 тканеэквивалентного вещества. Жми, чтобы увеличить.

На рис. 3 приведены данные для точек через каждые 5 минут с сентября 2012 года по март 2013 года для рентгеновского излучения с длиной волны 1,0-8,0 А и 0,5-4,0 А. Средняя интенсивность составляет ~ 10-6 Ватт/м2 и 3·10-9 Ватт/м2, соответственно. Как и в случае пиков протонного и электронного излучения, рентгеновское излучение имеет пики за сутки, неделю, месяц. Резкое увеличение жесткого рентгеновского излучения продолжается 35-40 минут, пики мягкого рентгеновского излучения продолжаются 60-120 минут, затем они спадают.

За сутки средняя интенсивность мягкого рентгеновского излучения за 2012-2013 год составляет ~ 86 мВатт/м2сутки.

Это высокое радиационное излучение. Опасность данного излучения справедлива для орбитальных станций, околоземного и окололунного пространства.




Данные рентгеновского излучения Солнца по GOES за 30 лет

На рис. 4 приведены потоки мягкого рентгеновского излучения от Солнца с 1983 по 2013 года по данным GOES [3].



Рис. 4. Изменение интенсивности мягкого  рентгеновского излучения и дозы радиации рад/сут с 1983 по 2013 год. Нелинейная шкала слева – уровни потока рентгеновского излучения от Солнца по данным спутника GOES, нелинейная шкала справа – доза радиации в единицах рад в сутки человека в скафандре с эффективной защитой 0,25 г/см2 тканеэквивалентного вещества. Горизонтальные линии отмечают уровни для сравнения: жёлтая – доза при единичной рентгенографии грудной клетки, оранжевая – доза при томографии позвонков, алая - порог радиационных заболеваний, красная - смертельная доза для человека. Жми, чтобы увеличить.

Можно отметить, что в год максимума солнечной активности интенсивность мягкого рентгеновского излучения варьируется между 0,04 и 0,86 Ватт/м2сутки при среднем фоне ~0,150 Ватт/м2сутки.

В год минимума солнечной активности средний фон рентгеновского излучения уменьшается почти в 100 раз и составляет ~2 мВатт/м2сутки. При этом увеличивается вариация рентгеновского потока от 0,4 (порог чувствительности приборов) до 400 мВатт/м2сутки.



 

Дозы радиации от рентгеновского излучения в окололунном пространстве

Зная интенсивность рентгеновского излучения и длину волны, мы можем провести расчет дозы радиации, которые получает экипаж, в зависимости от защитных экранов, корпуса лунного модуля или скафандра.

Интенсивность рентгеновского излучения Io, проходя через слой материала толщиной х и плотностью ρ, ослабевает по экспоненциальному закону

I = Io exp[-μ(x/ρ)],

где μ -  массовый коэффициент ослабления рентгеновского излучения см2/г, х/ρ - массовая толщина зашиты г/см2. Если рассматривают несколько слоев, тогда под экспонентой находятся несколько слагаемых со знаком минус.

Мощность поглощенной доза радиации от рентгеновского излучения за единицу времени N определяется интенсивностью излучения I и массовым коэффициентом поглощения   μEN

N =  μEN I

Для расчетов массовые коэффициенты ослабления и поглощения для разных значений энергии рентгеновского излучения взяты согласно NIST X-Ray Mass Attenuation Coefficients [4].

В таблице 1 приведены используемые параметры и результаты расчетов для поглощенной и эквивалентной дозы радиации от защиты.

Табл. 1.   Характеристика рентгеновского излучения,
коэффициенты ослабления в Al и поглощения в организме,
толщина защиты,
результат расчета поглощенной и эквивалентной дозы радиации за сутки*

Рентгеновское излучение от Солнца

Коэф. ослаб. и поглощ.

Поглощенная и эквивалентная доза радиации от внешней защиты, рад/сут (мЗв/сут)

длина
волны,
А
E, кэВсред. поток, Ватт/м2 Al, см2 орг.
кость,
см2
1,5 г/ см2 (LM-5)0,35 г/ см2 (скаф. Кречет)0,25 г/ см2 (скаф. XA-25)0,15 г/ см2  (скаф. XA-15)0,25 г/ см2 (скаф. XO-25)0,21 г/ см2 (скаф. ОрланМ)0,17 г/ см2 (скаф. A7L)
1,256010,01,0·10-626,228,50,00000,00060,00830,11141,0892
1,2862
1,5190
0,628020,03,0·10-93,444,000,00010,00380,00540,00750,00610,00630,0065
0,418930,01,0·10-91,131,330,00030,00100,00100,00120,00090,00090,0009

Итого рад/сут:

Итого мЗв/сут:

0,000

0,004

0,005

0,054

0,015

0,147

0,120

1,202

1,0961

10,961

1,2934

12,934

1,5263

15,263

*Примечание - толщина защиты LM-5 и скафандров "Кречет", "ХА-25" и "ХА-15" в алюминиевом эквиваленте, что соответствует 5,6, 1,3, 0,9 и 0,6 мм листового алюминия [5]; толщина защиты "ХО-25", "Орлан-М" и A7L тканеэквивалентного вещества [6], что соответствует 2,3, 1,9 и 1,5 мм тканеэквивалента.

Данную таблицу используют для оценки дозы радиации за сутки для других значений интенсивности рентгеновского излучения, умножая на коэффициент отношения между табличным значением потока и искомым усредненным за сутки. Результаты расчетов приведена на рис. 3 и 4 в виде шкалы поглощенной дозы радиации.

Расчет показывает, что лунный модуль с защитой 1,5 г/см2 (или 5,6 мм Al) полностью поглощает мягкое и жесткое рентгеновское излучение Солнца. Для  самой мощной вспышке от 4 ноября 2003 года (по состоянию на 2013 год и регистрируемых с 1976 года) интенсивность ее рентгеновского излучения в пике составляла 28·10−4 Вт/м2 для мягкого излучения и 4·10−4 Вт/м2 для жесткого излучения. За сутки усредненная интенсивность составит, соответственно, 10 Вт/м2сут и 1,3 Вт/м2. Доза радиации для экипажа за сутки равна 8 рад или 0,08 Гр, что безопасно для человека.

Вероятность подобных событий, как 4 ноября 2003 года, определяется как 30 минут за 37 лет. Или равна ~1/650000 час−1.  Это очень низкая вероятность. Для сравнения - среднестатистический человек проводит вне дома за всю свою жизнь ~300000 часов, что соответствует возможности быть очевидцем ренгеновского события от 4 ноября 2003 года с вероятностью 1/2.

Для определения радиационных  требований к скафандру мы рассматриваем рентгеновские вспышки на Солнце, когда их интенсивность увеличивается в 50 раз для мягкого излучения и 1000 раз для жесткого излучения по отношению к среднему суточному фону максимальной активности Солнца. Согласно рис. 4, вероятность таких событий - 3 вспышки за 30 лет. Интенсивность для мягкого рентгеновского излучения будет равна 4,3 Ватт/м2сутки и для жесткого - 0,26 Вт/м2.



Радиационные требования и параметры лунного скафандра

В скафандре на поверхности Луны эквивалентные дозы радиации от рентгеновского излучения увеличиваются.

При использовании скафандра "Кречет" для табличных значений интенсивности излучения доза радиации составит 5 мрад/сут. Защиту от рентгеновского излучения обеспечивает 1,2-1,3 мм листового алюминия [5], уменьшая интенсивность излучения в ~e9=7600 раз. При использовании меньшей толщины листового алюминия дозы радиации увеличиваются: для 0,9 мм Al - 15 мрад/сути, для 0,6 мм Al - 120 мрад/сути.

Согласно МАГАТЭ, такой радиационный фон признан нормальным условием для человека.

При увеличении мощности излучения от Солнца до значения 0,86 Ватт/м2сутки доза радиации для защиты 0,6 мм Al равна 1,2 рад/сути, что находится на границе нормальных и опасных условий для здоровья человека.

Скафандр Кречет

Лунный скафандр "Кречет". Вид на открытый ранцевый люк, через который космонавт входит в скафандр.
 В рамках советской лунной программы понадобилось создать скафандр, позволяющий достаточно длительное время работать непосредственно на Луне. Он имел название «Кречет» и стал прообразом скафандров «Орлан», которые используются сегодня на МКС для работы в открытом космосе [7].
Вес 106 кг.

Доза радиации увеличивается на порядок при использовании защиты  тканеэквивалентного вещества (полимеры, как майлар, капрон, фетр, стекловолокно). Так для скафандра "Орлан-М" при защите 0,21 г/смтканеэквивалентного вещества [5] интенсивность излучения уменьшается в ~e3=19 раз и доза радиации от рентгеновского излучения для костной ткани организма составит 1,29 рад/сути. Для защиты 0,25 г/см2 и 0,17 г/см2, соответственно, 1,01 и 1,53 рад/сути.



Экипаж Аполлон-16 Джон Янг (командир), Томас Маттингли (пилот командного модуля) и Чарльз Дьюк (пилот лунного модуля) в скафандре A7LB. Самостоятельно одеть такой скафандр сложно. Жми, чтобы увеличить.


Скафандр A7LB

Юджин Сернан в скафандре A7LB, миссия Аполлона-17.


Скафандр A7L

A7L — основной тип скафандра использовавшийся астронавтами НАСА в программе Аполлон до 1975 года.Вид с разрезом верхней одежды [8].
Верхняя одежда включала: 1) огнеупорная ткань из стекловолокна весом 2 кг, 2) экранно-вакуумная тепловая изоляция (ЭВТИ) для защиты человека от перегрева при нахождении на Солнце и от чрезмерной потери тепла на неосвещенной поверхности Луны, представляет собой пакет из 7 слоев тонкой пленки майлара и капрона с блестящей алюминированной поверхностью, между слоями проложена тончайшая вуаль волокон дакрона, вес составлял
0,5 кг; 3) противометеорный слой из нейлона с неопреновым покрытием (толщиной 3–5 мм) и весом 2–3 кг [9].
Внутренняя оболочка скафандра изготавливалась из прочной ткани,
пластика, прорезиненной ткани и резины. Масса внутренней оболочки ~20 кг. В комплект входили шлем, рукавицы, боты и СОЖ.
Масса комплекта скафандра A7L для внекорабельной деятельности 34,5 кг [10].



При увеличении интенсивности излучения от Солнца до значения 0,86 Ватт/м2сутки доза радиации для защиты 0,25 г/см2, 0,21 г/см2 и 0,17 г/см2 тканеэквивалентного вещества, соответственно, равна 10,9, 12,9 и 15,3 рад/сути. Такая доза равноценна 500-700 процедурам рентгенографии грудной клетки человека.

Однократная доза 10-15 рад влияет на нервную систему и психику, на 5% повышается риск заболевания лейкозом крови, наблюдают умственную отсталость у потомков родителей. По МАГАТЭ такой радиационный фон представляет очень серьезную опасность для человека.

При интенсивности рентгеновского излучения 4,3 Ватт/м2сутки дозы радиации за сутки имеет значение 50-75 рад и вызывает радиационные заболевания.


Скафандр Орлан-М

Космонавт Михаил Тюрин в скафандре Орлан-М [11]. Скафандр использовался на станции МИР и МКС с 1997 по 2009. Вес 112 кг. В настоящее время на МКС используется Орлан-МК (модернизированный, компьютеризированный). Вес 120 кг.


Самый простой выход - это снижение времени пребывания космонавта под прямыми лучами Солнца до 1 часа. Поглощенная доза радиации в скафандре Орлан-М уменьшится до 0,5 рад. Другой подход - работа в тени космической станции, в этом случае длительность внекорабельной деятельности можно значительно увеличить, несмотря на высокое внешнее рентгеновское излучение.

В случае пребывания на поверхности Луны далеко за пределами лунной базы быстрое возвращение и укрытие не всегда возможно. Можно воспользоваться тенью лунного ландшафта или зонтиком от ренгеновских лучей...

Простым  эффективным способом защиты от рентгеновского излучения Солнца является использование листового алюминия в скафандре. При 0,9 мм Al (толщина 0,25 г/см2 в алюминиевом эквиваленте) скафандр имеет 67-кратный запас от среднего рентгеновского фона. При 10 кратном увеличении фона до 0,86 Ватт/м2сутки доза радиации равна 0,15 рад/сути. Даже при внезапном 50-кратном увеличении рентгеновского потока от среднего фона до значения 4,3 Ватт/м2сутки поглощенная доза радиации за сутки не превысит  0,75 рад.

При 0,7 мм Al (толщина 0,20 г/см2 в алюминиевом эквиваленте) защита сохраняет 35-кратный радиационный запас. При 0,86 Ватт/м2сутки доза радиации составит не более 0,38 рад/сути. При 4,3 Ватт/м2сутки поглощенная доза радиации не превысит  1,89 рад.

Как показывают расчеты, для обеспечения радиационной защиты, как 0,25 г/см2 в алюминиевом эквиваленте, требуется тканеэквивалент в 1,4 г/см2. При таком значении массовой защиты скафандра возрастет его толщина в несколько раз и понижает его юзабилити.





ИТОГИ И ВЫВОДЫ

В случае протонного излучения тканеэквивалентная защита имеет преимущество перед алюминием на 20-30%.

При рентгеновском излучении предпочтение имеет защита скафандра в алюминиевом эквиваленте, чем из полимеров. Данный вывод совпадает с результатами исследований Дэвида Смита (David Smith) и Джона Скало.

Лунные скафандры должны иметь два параметра защиты:
1) параметр защиты скафандра тканеэквивалентного вещества от протонного излучения, не ниже 0,21 г/см2;
2) параметр защиты скафандра в алюминиевом эквиваленте от рентгеновского излучения, не ниже 0,20 г/см2.

При использовании во внешней оболочке скафандра с площадью 2,5-3 м2 защиты Al масса скафандра на базе Орлан-МК увеличится на 5-6 кг.

Для лунного скафандра суммарная поглощенная доза радиации от солнечного ветра и рентгеновских лучей Солнца в год максимума солнечной активности составит 0,19 рад/сут (эквивалентная доза радиации - 8,22 мЗв/сут). Такой скафандр имеет 4-кратный запас радиационной прочности для солнечного ветра и 35-кратный запас радиационной прочности для рентгеновского излучения. Никакие дополнительные меры защиты, как радиационные алюминиевые зонтики, не нужны.

Для скафандра Орлан-М, соответственно, 1,45 рад/сут (эквивалентная доза радиации - 20,77 мЗв/сут). Скафандр имеет 4-кратный запас радиационной прочности для солнечного ветра.

Для скафандра A7L (A7LB) миссии Аполлон, соответственно, 1,70 рад/сут (эквивалентная доза радиации - 23,82 мЗв/сут). Скафандр имеет 3-кратный запас радиационной прочности для солнечного ветра.

При непрерывном пребывание в течении 4 суток на поверхности Луны в современных скафандрах Орлан или типа A7L человек набирает дозу радиации 0,06-0,07 Гр, что представляет опасность для его здоровья. Это соответствует выводам Дэвида Смита (David Smith) и Джона Скало, что в окололунном космическом пространстве в  современном скафандре за 100 часов с вероятностью 10% человек получит опасную для здоровья и жизни дозу радиации выше 0,1 Грэй. Для скафандров Орлан или типа A7L необходимы дополнительные меры защиты от рентгеновского излучения, как радиационные алюминиевые зонтики.

Предлагаемый лунный скафандр на базе Орлан за 4 суток набирает дозу радиации 0,76 рад или 0,0076 Гр. (Один час пребывания на поверхности луны в скафандре под солнечным ветром соответствует двум процедурам рентгенографии грудной клетки). Согласно МАГАТЭ радиационный риск признан нормальным условием для человека.


Лунный скафандр НАСА
Новый лунный скафандр

NASA проводит испытания нового скафандра для готовящегося в 2020 году полета человека на Луну. Фото NASA




Кроме радиационного риска от солнечного ветра и рентгеновского излучения Солнца идет поток галактических космических лучей. Об этом далее.


Литература и ссылки:
  1. David S. Smith and John M. Scalo, Risks due to X-ray flares during astronaut extravehicular activity, SPACE WEATHER, VOL. 5, S06004, doi:10.1029/2006SW000300, 2007.
  2. Daily Particle Data, GOES X-ray Fluence, DPD.txt
  3. Space Weather Events. sxi.ngdc.noaa.gov/sxi_greatest.html
  4. Tables of X-Ray Mass Attenuation Coefficients and Mass Energy-Absorption Coefficients from 1 keV to 20 MeV for Elements Z = 1 to 92 and 48 Additional Substances of Dosimetric Interest
  5. Скафандры для советской лунной программы. Скафандры типа «Кречет» и «Орлан» по программе ЛЗ.
  6. Карташов Дмитрий Александрович, Радиационные нагрузки на космонавта при внекорабельной деятельности в скафандре «Орлан-М» на низких околоземных орбитах, 3 глава, Диссертация на соискание ученой степени кандидат технических наук.
  7. Кречет (скафандр). Материал из Википедии — свободной энциклопедии. 2013.
  8. UNITE DE MOBILITE EXTRAVEHICULAIRE* TYPE A7L
  9. Скафандры первых исследователей Луны. Скафандр мягкого типа.
  10.  US Spacesuits. — Chichester, UK: Praxis Publishing Ltd., 2006. — P. 32. 
  11. International Space Station Imagery.


предыдущее / далее


Категория: Публичные расследования | Просмотров: 5640 | Добавил: ligaspace | Рейтинг: 5.0/1 |
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]

 


Последние новости:





Прочитайте пожелания про защиту прав интеллектуальной собственности