Вспышки на Солнце способны в течение нескольких часов превратить путешествие к Луне в опасную радиационную зону. Звезда выбрасывает потоки протонов, которые увеличивают риск онкологических заболеваний и при высоких дозах вызывают острую лучевую болезнь. Благодаря атмосфере и магнитному полю Земля защищена от большей части излучения. Однако в пути к Луне или Марсу такой щит отсутствует, и инженеры должны найти способы оградить космонавтов от неожиданных всплесков радиации. NASA относит солнечные протонные события к числу основных рисков для пилотируемых лунных экспедиций.

Самый простой подход — создать толстый защитный слой вокруг людей — не подходит для космического аппарата. На протяжении многих лет специалисты исследуют алюминиевые конструкции, стены с водой и системы с магнитным полем для отклонения заряженных частиц. Любая пассивная защита добавляет вес, а каждый дополнительный килограмм нужно вывести с Земли, вместе с экипажем, топливом, инструментами и припасами.

Разработчики AstroRad выбрали другую стратегию: вместо защиты всего корабля можно закрыть материалом наиболее уязвимые зоны человеческого организма. Этот радиационный жилет отправили в полёт вокруг Луны на беспилотной миссии Artemis I в 2022 году. Миссия длилась почти 26 дней, и аппарат Orion вернулся на Землю 11 декабря.

Не требовалось полностью закрывать человека тяжелыми пластинами. Различные органы и ткани по-разному реагируют на ионизирующее излучение. Костный мозг, отвечающий за производство клеток крови, является наиболее чувствительным. Большинство его клеток находится в тазовых костях, поэтому защита этой области способствует сохранению достаточного количества жизнеспособной ткани для восстановления кроветворения.

AstroRad защищает таз, грудную клетку, живот, толстую кишку и половые органы. Расположение материала учитывает как вероятность серьёзных последствий при высоких дозах, так и риск развития рака через многие годы. Голова, руки и ноги остаются практически незащищёнными. Расчеты показывают, что для многих солнечных вспышек такой подход снижает эффективную дозу примерно на 60%.

Основным материалом выбран полиэтилен высокой плотности. Для защиты от протонов особенно эффективны вещества с высоким содержанием водорода. Ядро атома водорода состоит из одного протона, поэтому столкновение летящей частицы с ним позволяет эффективно отбирать энергию у частицы. По этой причине вода часто рассматривается в проектах космической радиационной защиты.

Полиэтилен содержит много водорода и при этом остаётся твёрдым материалом, поэтому жилету не требуются резервуары с жидкостью и защита от протечек. Возникает новая проблема: толстая пластина из полиэтилена плохо изгибается и затрудняет движение.

Специалисты разбили защитные панели на тысячи маленьких шестигранных стержней и поместили их между слоями эластичной ткани. Отдельные элементы могут двигаться относительно друг друга, поэтому жилет гнется вместе с телом. Стержни имеют длину от девяти до 60 миллиметров.

Размеры рассчитывали, используя формулу Бете-Блоха, которая описывает потерю энергии заряженной частицы при движении через материал. Зная энергию протона и характеристики полиэтилена, можно определить глубину его проникновения и выбрать нужную толщину материала. Поэтому защитный слой AstroRad состоит из элементов разного размера, а не однородной сплошной плиты.

Испытать жилет на живом человеке во время Artemis I было невозможно: первый полёт аппарата Orion вокруг Луны проходил без экипажа. На борту находились два антропоморфных манекена женского типа по имени Хельга и Зоар. Они изготовлены из материалов, которые имитируют взаимодействие человеческих тканей с ионизирующим излучением. Зоар был одет в AstroRad, Хельга оставалась без защиты. Европейское космическое агентство уточняет, что внутри обоих манекенов находилось более 12 тысяч датчиков радиации, распределённых по отделам, соответствующим различным органам и системам.

Дозиметры регистрировали облучение на различных этапах путешествия, поэтому учёные получили не просто общую цифру за весь полёт, а детальную картину распределения дозы внутри корпуса. Данные защищённого и незащищённого манекенов позволили проверить, насколько точно расчётные модели описывают реальное движение частиц через Orion, человеческое тело и полиэтиленовый экран.

Значительной солнечной вспышки во время Artemis I не произошло. Основной поток протонов был зарегистрирован при прохождении через внутреннюю область радиационных поясов Ван Аллена, где магнитное поле Земли удерживает заряженные частицы высоких энергий.

Инженеры создали компьютерную модель корабля, манекенов и жилета и провели расчёты методом Монте-Карло. Программа многократно прослеживала пути частиц, их взаимодействия с материалом, рассеяние и потерю энергии. Для отдельных дозиметров расчётные значения отличались от измерений не более чем на 5%. После такой проверки параметры излучения заменили данными двух известных солнечных вспышек — августа 1972 года и октября 1989 года.

Событие августа 1972 года давно интересует специалистов по космическим полётам с экипажем, поскольку оно произошло между миссиями Apollo 16 и Apollo 17. Если бы космонавты находились далеко за пределами основной защиты земной магнитосферы, поток солнечных частиц создал бы серьёзную радиационную опасность.

Во время компьютерного моделирования манекены не оставались в одном положении. Реальный космонавт во время многодневного путешествия движется по кабине и поворачивается в разные стороны относительно направления приходящих частиц, поэтому виртуальное тело постоянно меняло позицию. Для вспышки уровня августа 1972 года AstroRad снизил расчётную эффективную дозу примерно на 60%.

Сценарий октября 1989 года показал около 40% защиты. Разница объясняется энергетическим составом протонов. Вспышка 1989 года содержала больше высокоэнергетических частиц, которые глубже проходят через материал. При многих крупных солнечных событиях основная часть протонов имеет более низкие энергии, а число особенно энергичных частиц быстро падает. Против низкой и средней части спектра несколько сантиметров материала с высоким содержанием водорода работают наиболее эффективно.

NASA устанавливает лимит суммарного радиационного облучения для каждого космонавта на протяжении карьеры. Авторы исследования подсчитали, что применение жилета во время одной крупной солнечной вспышки может сохранить допустимый запас дозы, эквивалентный примерно 40–193 дополнительным дням работы в космосе. Конкретное значение зависит от интенсивности и энергетического спектра события.

Сопоставимую защиту обеспечивает укрытие внутри Orion. При опасном возрастании радиации экипаж может использовать центральную часть модуля и расставить вокруг себя бортовые припасы и сумки с оборудованием, увеличив количество материала между телом и источником излучения. NASA разрабатывает такую процедуру действий специально для солнечных протонных событий.

Укрытие хорошо защищает команду, однако ограничивает передвижение и нормальную работу. Во время мощной вспышки космонавтам, возможно, придется провести внутри укрытия более суток. Жилет позволяет достичь близкого уровня защиты и при этом выполнять большинство повседневных задач, поэтому AstroRad рассматривается как дополнение к защищённой зоне аппарата, а не его замена.

Против галактических космических лучей такой способ практически неэффективен. Такие частицы постоянно поступают из-за пределов Солнечной системы, и их энергия намного выше, чем у основной массы протонов солнечной вспышки. Для значительного ослабления такого излучения требовался бы гораздо более толстый слой материала. Носить столь тяжелую защиту постоянно в течение всей экспедиции практически невозможно. NASA также считает галактические космические лучи одним из основных источников излучения в дальнем космосе.

Главное ограничение испытания связано с отсутствием реальной солнечной вспышки во время Artemis I. Расчёты основывались на реальных показаниях датчиков, однако модель корпуса Orion упростили до двух материалов, а спектр частиц в поясах Ван Аллена задавали статистически. Прямой эксперимент потребовал бы отправить AstroRad далеко от Земли и случайно попасть в достаточно сильный солнечный выброс, поэтому проверить все расчёты таким способом заранее нельзя.

Ещё одно ограничение легко измеряется без компьютерных моделей: версия AstroRad на Artemis I весила 26 килограммов. Добавление новых защитных слоёв повысило бы эффективность, но одновременно сделало бы жилет тяжелее и менее удобным. Инженеры поэтому сосредоточились на снижении массы при сохранении достигнутого уровня защиты.

После анализа данных Artemis I специалисты сумели снизить массу конструкции с 26 до 16 килограммов без значительного снижения защиты. Следующая цель предусматривает дальнейшее облегчение жилета. Если удастся сделать AstroRad достаточно удобным, космонавты смогут использовать его не только несколько часов во время пика потока протонов, но и несколько суток во время максимума солнечной вспышки.