Возможны ли космические путешествия

ВОЗМОЖНЫ ЛИ КОСМИЧЕСКИЕ ПУТЕШЕСТВИЯ

Борис Ихлов

Реферат

Какие существуют ограничения на космические полеты с человеком на борту?

Гигантское количеств топлива

Для ускорения одной тонны до одной десятой скорости света требуется не менее 450 петаджоулей, 4,5;1017 джоулей = 125 тераватт-часов (мировое потребление в 2008-м – 143 851 тераватт-часов
Например, самый проработанный на сегодняшний день проект «Дедал» с импульсным термоядерным двигателем за 50 лет достиг бы звезды Барнарда (6 св. лет от Земли), затратив 50 тыс. т горючего (смесь дейтерия и гелия-3) и доставив к цели полезную массу в 450 т.
3) Столкновения с межзвёздной пылью.
Могут привести к критическим повреждениям летательного аппарата. При движении космического корабля с околосветовой скоростью протоны межзвёздного газа Галактики (плотностью 1 протон на 1 см3) превратятся в пучок, направленный против направления полёта корабля, с энергией 10^9 эВ и плотностью потока 10^10 частиц на см2/сек (на поверхности Земли интенсивность космического излучения составляет всего 2 частицы на см2/сек). Как обеспечить защиту экипажа корабля от такого излучения, неизвестно.
Коме того, между орбитами Марса и Юпитера есть пояс астероидов, а за Нептуном тянется пояс Койпера, а за ним – возможно – есть облако Орта, источник долгопериодических комет изо льда.
При скоростях более 0,1 с (скорости света) космический корабль не успеет изменить траекторию полёта и избежать столкновения. Межзвёздное путешествие возможно только при скоростях до 0,01 с.

Аппараты типа «солнечный парус» позволяют решить проблему топлива, но они не способны решить вторую проблему – проблему расстояний.

Гигантские расстояния

До самой близкой Проксима Центавра - 4,24 световых года от Земли. Для человека это расстояние кажется непреодолимым. Однако в ускоренной системе имеет место лоренцевское замедление времени.
Если ракета летит с комфортным земным ускорением (по инерции и затем с замедлением), а потом так же обратно, то весь путь (8,28 св. года) займет 7 лет по часам корабля. На Земле пройдут 12 лет. 
А вот путешествие к туманности Андромеды займет 30 лет, по земному времени – миллионы лет. Т.е. далекие полеты – не для тех, кто остался н Земле, а для тех, кто от нее сбежал.

Но и полеты за пределы галактики более 30 лет - возможны только в состоянии анабиоза, т.е. медикам придется основательно потрудиться, чтобы разработать методику погружения человека в состояние, как у тихоходок.
Так или иначе, может встать задача создания биосферы на космическом корабле для воспроизводства двух-трех поколений – в том случае, если продолжительность жизни не будет увеличена до 150-200 лет.

При этом о кораблях типа «солнечного паруса придется забыть, они не способны ускоряться до достаточных скоростей.

Ограничение на расстояние

За 40 лет собственного времени (отсчёт времени на космическом корабле) корабль побывает в центре Галактики, за 59 лет собственного времени корабль с единичным ускорением потенциально может совершить путешествие (вернувшись на Землю) к туманности Андромеды, удалённой на 2,5 млн св. лет. На Земле за время такого полёта пройдёт около 5 млн лет.
Развивая вдвое большее ускорение (к которому тренированный человек вполне может привыкнуть при соблюдении ряда условий и использования ряда приспособлений, например, анабиоза), можно совершить экспедицию к видимому краю Вселенной (13,8 млрд св. лет), которая займёт у космонавтов порядка 50 лет. Но, возвратившись (через 28 млрд лет по земным часам), её участники попадут в нашу Галактику, которая уже не будет существовать. Следовательно, разумный радиус доступности для межзвёздных экспедиций с возвратом не должен превышать нескольких десятков световых лет.
То есть. Прилетов инопланетян с целью контакта возможно ожидать только из сферы в пространстве с весьма коротким радиусом.

Отсутствие магнитного поля

Данной тематикой в РФ занимаются несколько лабораторий.

Напряженность магнитного поля Земли - 50 мкТл.
Космические корабли и станции летают на относительно небольших высотах, где магнитное поле меньше земного лишь на 20%, однако в межпланетных экспедициях поле слабее земного в 1000-10 000 раз.
Исследователи из НИИ биологии и биофизики Томского госуниверситета и Института медико-биологических проблем РАН (ИМБП) провели серию экспериментов, в которых крыс изолировали от магнитного поля Земли.
Т.к. постоянное магнитное поле нельзя экранировать, создали специальную установку, в которой электромагнитная система компенсировала земное магнитное поле так, что внутри нее поле становилось очень слабым - в 700-1000 раз слабее обычного.
В эту "безмагнитную камеру" на 25 суток и потом еще на десять суток были помещены 12 белых крыс-самцов, еще 12 крыс - контроль.
Подопытные животные утрачивали навыки социального поведения, испытывали проблемы с памятью, у них также наблюдались изменения во внутренних органах.
Грызуны теряли социальные навыки, проявляли агрессию. Кроме того, у их наблюдались и физиологические изменения.
Японские ученые ранее изучали, как отсутствие магнитного поля влияет на развитие тритонов. Результаты показали, что у их потомства неправильно формировались позвоночник и глаза, появлялись двухголовые особи.
После облёта Луны «Зондом -5», с двумя среднеазиатскими черепашками, мухами дрозофилами и пр. в сентябре 1968 года обе черепашки погибли.

Решения проблемы – создание искусственного магнитного поля.

Дозы радиации

Космическая радиация — это потоки высокоэнергетических частиц (протонов, ядер гелия, тяжёлых ионов) и электромагнитного излучения, которые движутся почти со скоростью света. Они обладают ионизирующим действием: выбивают электроны из атомов, разрушают молекулы воды в тканях и повреждают ДНК.
Рентген- и гамма-радиации очень мало. Их главный источник — Солнце (и незначительно галактическое излучение). Рентгеновский поток от спокойного Солнца равен 10–4…10–5эрг/(см2 ; с) и лишь во время мощных вспышек достигает значения 1 эрг/(кв. см ; с) [6]. Если принять, что человеческое тело имеет площадь 1 кв. м и массу 60 кг, то при спокойном Солнце мощность поглощаемой энергии рентгена равна 10–7 Дж/с, что эквивалентно 1,7 ; 10–7 бэр/с. Во время вспышек мощность дозы может достигать 1,7 ; 10–2 бэр/с. Количество вспышек бывает от одной за несколько месяцев до 10…20 за сутки, продолжи тельность может составлять несколько минут.
 
Научный комитет ООН по действию атомной радиации рекомендовал дозы в 0,2 Гр и ниже относить к малым дозам, а мощность дозы 0,1 мГр/мин и ниже - к малым мощностям доз [1].
На орбите МКС за год космонавт набирает примерно 200–300 миллизиверт (мЗв). В единицах поглощённой дозы это около 0,2–0,3 Гр, т.е. допустимо.
Но это больше, чем на АЭС: Для сравнения, сотрудникам атомных электростанций «положено» получать не более 50 миллизивертов каждый год.

Во время полета к Луне или Марсу уровень космической радиации возрастает где-то в четыре раза по сравнению с МКС — то есть, становится примерно в 200 раз выше земного.
При полёте к Марсу за 150-260 дней суммарная доза за время путешествия может составить около 1 Гр.
При низкой солнечной активности человек на Луне получает облучение в 0,5 зивертов за год, на Марсе — 0,25 зивертов.
При мощных солнечных вспышках поглощённая доза за несколько часов может достичь 5 Гр. Это смертельно опасная доза.

Максимально зарегистрированная энергия гамма-квантов солнечных вспышек составила 300 МэВ, а мощность дозы радиации — около 2 · 10–6 Дж/с, что эквивалентно 3,4 · 10–6 бэр/с. Главную проблему может представлять только мягкий рентген, интенсивность которого максимальна в длинноволновой области (закон излучения абсолютно черного тела Стефана — Больцмана). Для поглощения жесткого рентгена энергией 20 кэВ с 10-кратным ослаблением достаточно защиты материала обшивки космического аппарата: сталь — 0,02 мм; алюминий — 0,12 мм.
Для поглощения гамма-излучения с минимальной энергией 250 кэВ с 10-кратным ослаблением достаточно защиты: сталь — 23 мм; алюминий — 75 мм; вода — 350 мм; свинец – 3 мм. Установлено, что наибольший вклад в суммарную дозу радиации при солнечных вспышках вносят протоны с энергией 20…500 МэВ.

Защита от радиации

Частицы с меньшей энергией эффективно поглощаются обшивкой космического аппарата. Относительно небольшие солнечные вспышки дают максимальную плотность потока протонов с энергией 100 МэВ не более 102…103 частиц/(см2 ; с), что сравнимо с плотностью потока протонов во внутреннем радиационном поясе Земли. Максимальная плотность потока протонов с энергией более 100 МэВ от наиболее мощной вспышки 23 февраля 1956 г. составила 5 ; 103 частиц/(см2 ; с) (около 0,05 бэр/с). Мощные вспышки происходят не чаще одной в несколько лет, так что космические полеты малой длительности относительно безопасны. Электронная доля всегда больше, чем протонная, в 10–100 раз, но энергия электронов в 100 раз меньше. Защититься от протонов солнечных вспышек можно за обычной алюминиевой броней толщиной 4 см.
Возможно использование магнитного поля, которое способно отклонять заряженные частицы.
В рамках программы Innovative Advanced Concepts от NASA рассматривают проект искусственной магнитосферы от исследовательской группы под руководством Рут Бамфорд. Также ведутся исследования по генерации электростатического барьера — Active Radiation Shielding.
Существуют лекарства (радиопротекторы), которые позволяют снизить опасный биологический эффект облучения. Чаще всего это антиоксиданты — противостоят свободным радикалам, которые возникают в организме в результате облучения и повреждения молекул.
Возможно использование гибких резервуаров с водой, размещенных вдоль стен корабля или вокруг спальных отсеков, марсианского реголита, комбинированных композитов — с включением бора и др.
Полиэтилен и другие водородные композиты эффективны против космических протонов.

Гриб в космосе

Микологи выявили среди 37 других видов грибов на стенах 4 энергоблока Чернобыльской АЭС черный гриб Cladosporium sphaerospermum. Гриб содержит меланин и устойчив к радиации. Под действием радиоактивного цезия грибница увеличивается на 10% быстрее обычного, при этом пигмент гриба активно меняется.
Есть гипотеза радиосинтеза, согласно которой а меланин работает подобно хлорофиллу. Но радиосинтез пока не доказан — нет подтверждений метаболической выгоды или четкого механизма преобразования.
В 2022 году гриб отправили на МКС. За пределами станции слой в 1,7 мм снижал излучение на 2%, при этом рост был на 21% быстрее, чем на Земле. Слой гриба в 21 см почти полностью нейтрализует радиацию на Марсе. Гриб может быть биологическим щитом для космических полетов — он легче и дешевле металлической защиты и самовосстанавливается.

Радиационный гормезис
 
Помимо гипотезы радиосинтеза существует предположение, что в данном грибе реализуется процесс гормезиса.
Организмы, получающие малые дозы радиации, адаптируются к ней.
В Индии, Бразилии, Китае, Иране, Франции, Кавказе и др. уровень радиации в 10 и более раз превышает среднепланетарный (>0,1 бэр/год) [2]. Многочисленные комплексные медицинские исследования не выявили дополнительных нарушении в состоянии здоровья местного населения по сравнению с регионами со среднепланетарным уровнем ЕРФ, в том числе по таким показателям, как уровень онкологической заболеваемости, состояние репродуктивного здоровья и др. [3].
Малые дозы радиации, уровни которых граничат с природным фоном, усиливают способности организма к репарации, регенерации, элиминации малых различных повреждений. Главная роль в этом - возбуждение молекул, в первую очередь биополимеров — ДНК и белков.  Гормезис сопровождается и активацией иммунных систем.

В малых дозах радиации могут возникать эффекты «гормезиса», то есть, стимуляции клеточного деления, роста, развития организма и активации ряда биохимических и физиологических процессов [4, 5].

Скажем, гормезис под действием микроволн у бактерий длится в течение первого клеточного цикла [6, 7]. Однако в условиях космоса жизнедеятельность замедлена, поэтому у грибов гормезис вполне возможен.
 См. также [8-12].

Бильярд

Возможно ли использование гравитации планет или звезд для ускорения движения ракеты, чтобы сэкономить топливо?
При приближении к гравитирующему телу скорость ракеты растёт за счёт гравитационного захвата, но при удалении падает. Казалось бы, симметрия задачи двух тел не дает надежд, что в классике, что в ОТО, поворот кеплеровской оси эллипса (смещение перигелия) слишком ничтожно.
Внутри Солнечной системы экономия топлива возможна за счет притяжения Солнца и планет – за счет т.н. гравитационного маневра. Впервые гравитационный манёвр был успешно осуществлён в 1959 году советской станцией «Луна-3», которая сфотографировала обратную сторону Луны.
В межзвездных перелетах симметрия задачи двух тел нарушается вследствие вращения звезд. Разгонять ракету (и экономить топливо) можно за счет эффекта Лензе-Тирринга. Получится своего рода межзвездный бильярд.

Заключение

Бассард предложил прямоточный термоядерный двигатель с воронкой, которая собирала бы рассеянный водород в межзвёздном пространстве.
Существуют иные возможности, решающие проблему топлива, скорости и защиты: высадиться на пролетающий мимо астероид или даже на планемо (планету-бродягу, планету-странницу) или на пролетающий мимо коричневый карлик.
Скорее всего, человечество пойдет по пути не создания внешней защиты от радиации, а по пути модификации собственного организма, способного жить в условиях повышенной радиации - подобно сине-зеленым, выживающим в ядерном реакторе.
Возможно также использовать астероиды или планеты, находящиеся на пути следования, создавая промежуточные станции.
Можно также надеяться на нестыковки в Стандартной модели, на возможность обнаружения более мощных ядерных реакций.
И уж если пофантазировать, человек может путешествовать по Вселенной, «оседлав» какую-нибудь быструю одиночную «убегающую» звезду.

Литература

1. Ионизирующие излучения: источники и биологические эффекты: доклад на Генеральной Ассамблее ООН. 1988. Т. 1. 882 с.
2. Гродзинский Д.М. Радиобиология растений. Киев: Наукова думка, 1989. 380 с.
3. Алексахин P.M. и др. К вопросу о малых дозах ионизирующих излучений.  Радиобиология. М. 986. Т. 26, вып. З. С. 292-295.
4. Биологические эффекты малых доз ионизирующей радиации и радиоактивное загрязнение окружающей среды. Материалы конференции17–21 марта 2014 г., Сыкрывкар.
5. Михайлов В. Ф., Засухина Г. Д. Новый подход к стимуляции защитных систем организма малыми дозами радиации. Успехи современной биологии, 2020, T. 140, № 3, стр. 244-252
6. Ихлов Б. Л. Стимулирующее и угнетающее действие на живые системы слабого электромагнитного поля. Безопасность жизнедеятельности. 2019. №2. С. 22-26.
7. Boris L. Ikhlov. Microwave Induced Hormesis. Open Access Library Journal. Vol. 10. No. 3. March, 2023.
DOI: 10.4236/oalib.1109835
8. Кузин А.М. Стимулирующее действие ионизирующих излучений на биологические процессы. М., 1977. 275 с.
9. Бурлакова Е. Б. Особенности биологического действия малых доз облучения. Е.Б. Бурлакова, А.Н. Голощапов, Н.В. Горбунова и др. Радиационная биология. Радиобиология. 1996. Т. 36. С. 35-38.
10. Кузин А.М. Проблема малых доз и идеи гормезиса в радиобиологии. Радиобиология. 1991. Т. 31, вып. 1. С. 16-21.
11. Кузин А.М. Возможные механизмы участия природного радиационного фона (ПРФ) в стимуляции деления клеток. Радиационная биология. Радиоэкология. 1994. Т. 34. C.398-401.
12. Борщеговская П. Ю., Розанов В. В., Студеникин Ф. Р. Введение в радиобиологию. МГУ, 2019