Художественное представление марсианского поселения с видом в разрезе. Предоставлено: Исследовательский центр Эймса НАСА.

В ближайшее десятилетие НАСА и Китай планируют отправить на Марс первые миссии с экипажем. Это будет состоять из обоих агентств, отправляющих космические корабли в 2033, 2035, 2037 и каждые 26 месяцев после этого, чтобы совпасть с оппозицией Марса (то есть, когда Земля и Марс находятся ближе всего на своих орбитах). Долгосрочной целью этих программ является создание базы на Марсе, которая будет служить центром для размещения будущих миссий, хотя китайцы заявили, что намерены сделать свою базу постоянной.

Перспектива отправки астронавтов в путешествие на Марс продолжительностью от шести до девяти месяцев сопряжена с рядом проблем, не говоря уже об опасностях, с которыми они столкнутся при проведении научных операций на поверхности. В недавнем исследовании международная группа ученых провела обследование марсианской среды — от пиков горы Олимп до ее подземных углублений — чтобы найти места с наименьшим уровнем радиации. Их результаты могут быть использованы для будущих миссий на Марс и создания марсианских мест обитания.

Команду возглавил Цзянь Чжан, доцент Школы наук о Земле и космосе (ESS) Китайского университета науки и технологий. К нему присоединились коллеги из Центра передового опыта в области сравнительной планетологии ESS и CAS в Китае, Института экспериментальной и прикладной физики (IEAP) в Киле, Германия, Института медико-биологических проблем Российской академии наук (РАН) и Скобельцын Институт ядерной физики (ИЯФ) в Москве. Статья, описывающая их выводы, недавно появилась в Журнале геофизических исследований: Планеты.

Когда дело доходит до миссий на Марс и в другие места за пределами низкой околоземной орбиты (НОО), радиация всегда вызывает беспокойство. По сравнению с Землей, Марс имеет разреженную атмосферу (менее 1% от атмосферного давления ), и нет защитной магнитосферы, защищающей поверхность от солнечной и космической радиации . В результате ученые предполагают, что вредные частицы, особенно галактические космические лучи (ГКЛ), могут распространяться и взаимодействовать непосредственно с атмосферой и даже достигать недр Марса.

Однако уровень радиационного облучения зависит от толщины атмосферы, которая меняется в зависимости от высоты. В низменных областях, таких как знаменитая система каньонов Марса (Долина Маринер) и его самый большой кратер (Планиция Эллады), атмосферное давление оценивается более чем в 1,2 и 1,24 кПа соответственно. Это примерно вдвое превышает среднее значение 0,636 кПа и до 10 раз превышает атмосферное давление в высокогорных местах, таких как Олимп Монс (самая большая гора в Солнечной системе).

Доктор Цзиннань Го, уважаемый профессор IEAP в Университете Кристиана-Альбрехта и член Китайской академии наук (CAS), был доктором философии профессора Цзянь Чжана. руководитель и соавтор статьи. Как она объяснила Universe Today по электронной почте:

«Разная высота означает разную толщину атмосферы. В высокогорных местах обычно более тонкая атмосфера сверху. Излучение высокоэнергетических частиц должно пройти через атмосферу, чтобы достичь поверхности Марса. Если толщина атмосферы изменится, поверхностное излучение также может измениться. Таким образом, высота может влиять на поверхностное излучение Марса».

С этой целью команда рассмотрела влияние атмосферных глубин на марсианский уровень радиации. Это включало поглощенную дозу, измеренную в радах; эквивалент дозы, измеряемый в бэрах и зивертах (Зв); и эффективная мощность дозы для организма, вызванная GCR. Это заключалось в моделировании радиационной обстановки с использованием современного симулятора на основе программного обеспечения GEOmetry And Tracking (GEANT4), разработанного CERN.

Это программное обеспечение, известное как симулятор взаимодействия с атмосферным излучением (AtRIS), использует вероятностные алгоритмы Монте-Карло для моделирования взаимодействия частиц с марсианской атмосферой и землей. Как проиллюстрировал доктор Го:

«Мы используем подход Монте-Карло под названием «GEANT4» для моделирования переноса и взаимодействия энергичных частиц с марсианской атмосферой и реголитом. Марсианская среда настроена с учетом состава и структуры атмосферы Марса, а также свойств реголита.

«Входные спектры частиц в верхней части атмосферы Марса получены также из откалиброванных данных моделей, которые описывают вездесущую радиационную среду частиц в межпланетном пространстве, которая включает заряженные частицы разных видов, которые в основном представляют собой протоны (~ 87%), ионы гелия. (12%), а также небольшие следы более тяжелых ионов, таких как углерод, кислород и железо».

Они обнаружили, что более высокое поверхностное давление может эффективно уменьшить количество излучения тяжелых ионов (GCR), но дополнительная защита все еще необходима. К сожалению, наличие этой защиты может привести к «ливням космических лучей», когда воздействие GCR на защиту создает вторичные частицы, которые могут наполнить внутреннюю часть среды обитания различными уровнями нейтронного излучения (также известного как поток нейтронов). Они могут внести значительный вклад в эффективную дозу радиации, которую будут поглощать астронавты.

Они определили, что пик нейтронного потока и эффективной дозы приходится на глубину около 30 см (1 фут) под поверхностью. К счастью, эти результаты предлагают решения, касающиеся использования марсианского реголита для защиты. Сказал доктор Го:

«Для заданного порога годовой биологически взвешенной эффективной дозы облучения, например, 100 мЗв (величина, часто рассматриваемая как порог, ниже которого риск радиационно-индуцированного рака незначителен), требуемая глубина реголита колеблется от 1 м до 1,6 м. . В этом диапазоне, в глубоком кратере, где поверхностное давление выше, необходимая дополнительная защита от реголита немного меньше. В то время как на вершине горы Олимп необходимая дополнительная защита от реголита выше».

Основываясь на их выводах, лучшие места для будущих поселений на Марсе будут расположены в низменных районах и на глубине от 1 м до 1,6 м (от 3,28 до 5,25 футов) под поверхностью. Таким образом, Северная низменность, которая составляет большую часть северного полушария (также известная как Vastitas Borealis), и Valles Marineris были бы очень подходящими местами. В дополнение к более высокому атмосферному давлению , в этих регионах также имеется много водяного льда прямо под поверхностью.

Если все пойдет по плану, астронавты ступят на поверхность Марса чуть более чем через десять лет. Это будет состоять из транзитов продолжительностью от шести до девяти месяцев (за исключением разработки более совершенных двигательных технологий) и наземных операций продолжительностью до 18 месяцев. Короче говоря, астронавтам придется бороться с угрозой повышенной радиации до трех лет. Таким образом, подробные стратегии смягчения должны быть разработаны заблаговременно.

НАСА и другие космические агентства вложили много времени, энергии и ресурсов в разработку конструкций жилых помещений с использованием 3D-печати, использования ресурсов на месте (ISRU) и даже электромагнитного экранирования для обеспечения здоровья и безопасности космонавтов. Однако до сих пор остаются без ответа вопросы о том, насколько эффективными будут эти стратегии на практике, особенно если учесть количество времени, которое экипажи будут проводить на поверхности Марса.

«Наше исследование может помочь снизить радиационные риски при проектировании будущих марсианских мест обитания с использованием природного материала поверхности в качестве экранирующей защиты», — сказал доктор Го. «Поэтому исследования, подобные этому, будут иметь большое значение, когда планировщики миссий начнут рассматривать проекты будущих марсианских мест обитания, которые полагаются на естественный поверхностный материал для обеспечения радиационной защиты».

Ссылки по теме:

• Источник: Phys.org