К оценке профессионального радиационного риска космонавтов и перспективам подбора методов и материалов защиты

Введение. Современная стратегия развития космонавтики характеризуется переходом от кратковременных орбитальных полётов к созданию постоянной инфраструктуры в дальнем космосе. В 2024 г. законодательно закреплено сотрудничество РФ и КНР по созданию Международной научной лунной станции [1], а программа НАСА «Артемида» и концепция «Moon to Mars» предполагают развёртывание обитаемых баз на Луне как трамплина для марсианских экспедиций [2].

Ионизирующее излучение (ИИ) является одним из наиболее опасных и наименее управляемых факторов профессионального риска в авиакосмической медицине [3]. В гражданской авиации на рабочих высотах лётного состава мощность космического излучения превышает естественный радиационный фон на поверхности Земли в десятки раз [4, 5]. Однако в межпланетном пространстве и на поверхностях небесных тел, лишённых плотной атмосферы и глобального магнитного поля, уровни ИИ возрастают на порядки, что создаёт риск возникновения не только стохастических онкологических последствий, но и детерминированных тканевых реакций [6, 7].

Обеспечение радиационной безопасности (РБ) при планировании межпланетных полётов требует прецизионного дозиметрического контроля, учёта индивидуальной радиочувствительности космонавтов и проектирования эффективных защитных барьеров [8, 9].

Цель исследования — на основании систематизированного обзора предложить модель расчёта доз от космических излучений для типовых сценариев миссий, и сравнительный анализ распределения доз при выборе защитных материалов космических скафандров, кораблей и станций.

Материалы и методы. В рамках исследования проведена систематизация физических параметров четырёх сред обитания: поверхности Земли, низкой околоземной орбиты (НОО), на примере Международной космической станции (МКС), поверхностей Луны и Марса [1, 10, 11]. Оценка радиационной обстановки базировалась на данных современных приборных комплексов космического базирования: телескопа CRaTER на борту лунного орбитального аппарата Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) [10]; детектора RAD на марсоходе Curiosity [11]; дозиметрических систем DOSIS и DOSIS 3D в модуле Columbus на МКС [12].

Оценка радиационного риска проводилась с использованием методологии расчёта эффективной дозы, регламентированной рекомендациями Международной комиссии по радиологической защите (МКРЗ) и отечественными нормами радиационной безопасности (НРБ) [13, 14]. Для оценки профессионального риска использована детерминированная модель линейного накопления дозы. Для многофазных миссий суммарная эффективная доза H рассчитывалась по формуле:

где H — суммарная эффективная доза за всю миссию, мЗв; H_i — средняя мощность эффективной дозы в i-й фазе полёта или пребывание (например, перелёт к марсу, пребывание на поверхности), мЗв/сутки или мЗв/год; t_i — продолжительность i-й фазы, сутки или годы; n — количество фаз миссии.

Для автоматизации расчётов авторами разработан программный комплекс «Space RadCalc» (Python/Rich), позволяющий моделировать дозовые нагрузки на критические органы (костный мозг, хрусталик, кожа) с учётом взвешивающих коэффициентов согласно НРБ‑99/2009. Программа размещена в открытом доступе на SourceForge¹.

Для выбора оптимальных материалов радиационной защиты выполнен многокритериальный анализ по параметрам массового коэффициента ослабления ИИ, удельной плотности, стоимости транспортировки на орбиту и потенциалу использования местных космических ресурсов (технология ISRU — In-Situ Resource Utilization) — концепция и комплекс технологий, направленных на добычу, обработку и использование местных ресурсов на других небесных телах [15–17].

Результаты и обсуждение. Анализ действующих норм показывает существенные различия в подходах национальных космических агентств, гигиенических НРБ в санитарных правилах и нормах (СанПиН), норм профессионального облучения в НРБ Международного агентства атомной энергии (МАГАТЭ) (табл. 1).

Риски, связанные с освоением космоса, ложатся на плечи небольшой группы людей (космонавтов, астронавтов, тайконавтов, вьоманавтов), но выгоды от них получает всё общество. Этот дисбаланс возлагает на космические агентства ответственность за обеспечение максимальной защиты специалистов (корпус корабля и станций, скафандры, время воздействия), чтобы свести к минимуму сбои в работе во время полёта, на протяжении всей их карьеры и после ухода из агентств. Предпринимаются попытки прогнозирования рисков лунных и марсианских миссий с учётом их продолжительности (дни), поглощённых доз (Гр), эффективных доз (мЗв), смертельных рисков (%) [8].

Осуществлена систематизация физических факторов, воздействующих на человека в исследуемых средах обитания. Особое внимание уделено роли естественного радиационного фона, температурным перепадам и уровню гравитации, синергетически влияющим на физиологическую адаптацию космонавтов (табл. 2).

Анализ радиационных параметров показывает, что на поверхностях Луны и Марса ИИ становится доминирующим экстремальным фактором профессионального риска [15, 16, 19]. На основе формулы осуществлён расчёт доз для пяти базовых сценариев пилотируемых полётов (табл. 3).

В таблице 3 представлены усреднённые данные диапазонов эффективных доз, полученных при измерении приборами CRaTER (LRO), RAD (Curiosity) и DOSIS 3D (МКС) и не привязаны к конкретному циклу солнечной активности (СА). Нижние границы диапазонов (230 мЗв/год для Марса и 800 мЗв/год для Луны) соответствуют периоду максимума СА (минимальный поток галактических космических лучей (ГКЛ), верхние границы (350 и 1200 мЗв/год) — периоду минимума СА (максимальный поток ГКЛ).

В риск-ориентированных подходах следует отметить значение утверждённых Роскосмосом и ФМБА Методических рекомендациях МР ФМБА 17.01-2021 «Ограничение облучения космонавтов при околоземных космических полётах» (ООКОКП – 2021) с введением понятийного аппарата, дозиметрического функционала и формулами для расчётов. Обобщённая доза (НБ) — величина, используемая как мера для установления риска ближайших в процессе космического полёта неблагоприятных последствий для работоспособности и жизнеспособности членов экипажа. Обобщённая доза (НО) — величина, используемая как мера для установления пожизненного риска отдалённых неблагоприятных последствий для здоровья и работоспособности космонавтов (канцерогенных и неканцерогенных рисков) после завершения длительных полётов и карьеры космонавтов в целом, определяемая на основе своего набора коэффициентов, поскольку рассматриваются другие критические системы организма и отдалённые последствия.

Полученные критические уровни доз облучения и риски на уровне околоземных орбит МКС, свидетельствуют о высокой актуальности разработки и применения высокоэффективных средств коллективной и индивидуальной защиты в случаях долгосрочных пилотируемых полётах в космосе и пребывании на поверхностях Луны и Марса.

При планировании миссий расчёт доз по критическим органам должен сопоставляться с порогами клинических проявлений для недопущения развития катаракты хрусталика глаза, когнитивного дефицита и острого угнетения кроветворения (табл. 4) [17, 20].

При полётах в дальнем космосе классические тяжёлые металлы (например, свинец) малоэффективны из-за высокого атомного номера, который при взаимодействии с ядрами галактических космических лучей (ГКЛ) провоцирует образование каскадов жёсткого вторичного тормозного и нейтронного излучения [23]. Сравнительный анализ перспективных материалов пассивной защиты представлен в таблице 5 [15, 16, 22, 23].

Введение соединений бора в полимерные и реголитовые матрицы обеспечивает эффективное поглощение тепловых и эпитепловых нейтронов [15, 27]. Спекание реголита позволяет получать прочные защитные блоки непосредственно на месте строительства (ISRU), снижая стоимость доставки тяжёлых грузов с Земли [15, 24].

Для индивидуального снаряжения космонавтов (скафандров) наиболее эффективной признана многослойная полимерная композиция на основе полиэфирэфиркетона (PEEK) и полиэтилена высокой плотности (HDPE), которая обеспечивает существенное снижение дозовой нагрузки от ГКЛ при сохранении механической прочности и умеренного веса [26–28]. По некоторым данным HDPE и реголит поглощают до 92–98% нейтронов и ослабляют ГКЛ примерно в 3–5 раза.

В порядке обсуждения следует отметить современный вклад российских учёных в развитие проблематики. Проведена оценка нейтронной компоненты радиационного фона на Марсе [29]. В качестве основного дозиметрического функционала для приведения эффектов космических излучений к стандартным условиям облучения на Земле (острое кратковременное равномерное облучение от источников с коэффициентом качества излучения (КК)=1,0, обоснована «Обобщённая доза», на основе которой разработан алгоритм и проведены расчёты суммарного радиационного риска (СРР) в течение жизни космонавтов различных возрастов после завершения двух летнего полёта на Марс в период максимума СА, а также после завершения карьеры. Вместе с тем на основе обобщённой дозы рассчитывается такой интегральный показатель, как сокращение средней предстоящей продолжительности жизни (СППЖ) [30]. Определена зависимость, представленная в РФ в 2021 г., основанная на максимальных значениях коэффициентов относительной биологической эффективности (ОБЭМ) для малых значений поглощённых доз в пределах 0,001–0,05 Гр, в отношении риска различных отдалённых последствий от ядер ГКЛ и нейтронов, включая поражение нейронов коры головного мозга и риска развития катаракт, коэффициенты ОБЭМ для которых достигают 50 и более [31]. Обоснованы коэффициенты модификации (КМ_Б и КМ_О) радиационного ответа организма в ближайшем и отдалённом периодах за счёт комплексного действия стрессовых факторов при длительных орбитальных и межпланетных полёта [32]. Обоснованы локальные тканевые дозы с представлением глубинных распределений доз при различных материалах защиты и их толщине с учётом снижения эффективности действия протонов и ионов гелия при осуществлении полётов вне магнитосферы Земли, оценки коэффициента модификации радиационного ответа организма КМ_О=2,0 за счёт других стрессовых факторов межпланетных космических полётов [33].

Заключение. Ионизирующее излучение в условиях дальнего космоса выступает ведущим неблагоприятным профессиональным фактором, способным за год работы на незащищённой лунной базе сформировать эффективную дозу облучения на уровне 800–1200 мЗв, что существенно превышает установленный в РФ карьерный предел.

Проведённые расчёты доз облучения для пяти типовых полётных сценариев показали, что гигиенически допустимый уровень профессионального риска обеспечивается исключительно при условии создания развитой пассивной защиты. Основную опасность при перелёте к Марсу (~378 мЗв за 210 сут.) представляет гелиосферное излучение, требующее разработки экранов на пилотируемом корабле.

В качестве оптимальной концепции коллективной защиты лунных и марсианских обитаемых баз обоснован принцип использования местных ресурсов (ISRU): покрытие модулей защитным слоем прессованного реголита с добавлением бора толщиной не менее 1,5–2 м в сочетании с внутренним слоем водородсодержащего полимера (HDPE).

При проектировании индивидуального снаряжения космонавтов (скафандров) обосновано применение многослойных полимерных композиций на основе PEEK и HDPE, обеспечивающих снижение дозы от галактических космических лучей при сохранении необходимых весовых характеристик и высокой механической прочности.

¹ https://sourceforge.net/projects/radiation/