Художественное представление о том, как могли бы выглядеть города на Марсе.
Вызовы марсианской колонизации
Одной из ключевых задач для будущих пилотируемых миссий на Марс является поиск места для базы, способной обеспечить надёжную защиту от космического излучения. В отличие от Земли, Марс обладает крайне разреженной атмосферой и не имеет глобального магнитного поля, что делает его поверхность уязвимой для радиации. При этом толщина атмосферного слоя и, следовательно, уровень защиты существенно варьируются в разных регионах планеты. Китайские астрофизики провели детальное моделирование взаимодействия космических лучей с атмосферой и грунтом Марса, чтобы определить наиболее безопасные зоны для размещения станции и рассчитать необходимую толщину защитного слоя из реголита.
Планы космических держав
В ближайшее десятилетие как NASA, так и Китайское национальное космическое управление (CNSA) заявили о планах по отправке людей на Марс. Если эти амбициозные проекты будут реализованы, запуски станут возможны только в определённые «окна», которые открываются каждые 26 месяцев, когда взаимное положение Земли и Марса на орбитах становится оптимальным для перелёта (например, в 2033, 2035, 2037 годах). Долгосрочная цель — создание постоянной обитаемой станции, которая станет плацдармом для последующих экспедиций. Китай, в частности, уже официально объявил о намерении построить на Марсе постоянно действующую базу.
Карта атмосферного давления на Марсе. На схеме чётко видна корреляция с рельефом: самые низкие области имеют наибольшее давление. Источник: JGR: Planets 127, e2021JE007157 (2022).
Проблема радиационной защиты
Организация пилотируемого полёта на Марс, длящегося от шести до девяти месяцев в один конец, сопряжена с множеством технологических вызовов. Одним из самых серьёзных является обеспечение защиты экипажа от радиации как во время путешествия, так и на поверхности планеты. Земля надёжно защищена плотной атмосферой и магнитным полем, но на Марсе эти щиты практически отсутствуют: давление у поверхности составляет менее 1% от земного.
Однако рельеф Красной планеты предлагает естественные вариации в уровне защиты. Перепады высот здесь гораздо значительнее, чем на Земле. Например, гора Олимп (крупнейший вулкан Солнечной системы) возвышается на 30 км, и давление на её вершине составляет лишь около 80 Па. В то же время глубочайшие точки, такие как дно каньонов Долины Маринер или ударный кратер Равнина Эллада, лежат так низко, что атмосферное давление там достигает 1,2 кПа — это примерно в два раза выше среднего по планете (0,6 кПа). Для сравнения, нормальное давление на Земле — около 100 кПа. Таким образом, выбор места посадки критически важен даже с точки зрения той минимальной защиты, которую может дать местная атмосфера.
Обратите внимание: Что там, на Марсе? 04.08.21 Curiosity захромал.
Моделирование китайских учёных
Исследователи из Научно-технического университета Китая (USTC) провели комплексное моделирование, чтобы оценить, как атмосфера в разных регионах Марса влияет на уровень радиации на поверхности. Они также изучили поглощающую способность марсианского грунта (реголита) на различной глубине. Для калибровки своих расчётов учёные использовали данные, собранные марсоходом Curiosity, который с 2012 года работает в кратере Гейл и непрерывно измеряет как атмосферное давление, так и радиационный фон.
Визуализация моделирования каскадов вторичных частиц, возникающих при торможении космического излучения в атмосфере и верхнем слое грунта Марса. Источник: JGR: Planets 125, e2019JE006246 (2020).
Парадокс подземной защиты
Хотя более плотная атмосфера в низинах лучше поглощает первичное космическое излучение, её одной совершенно недостаточно для безопасного проживания. Необходима дополнительная защита — либо искусственные укрытия, либо помещения, расположенные под слоем грунта. Однако здесь возникает неочевидная проблема: твёрдый материал, такой как реголит, действительно останавливает поток первичных высокоэнергетичных частиц, но при этом порождает каскады вторичных частиц, включая нейтроны. Этот вторичный поток может значительно увеличить дозу облучения для астронавтов на базе. Подобные «ливни» частиц — обычное явление при взаимодействии космической радиации с веществом; на Земле по ним как раз и детектируют первичные космические лучи, но для обитателей Марса они становятся дополнительной угрозой.
Иллюстрация каскадов вторичных частиц, образующихся при поглощении космического излучения земной атмосферой. Аналогичные процессы происходят и на Марсе.
Моделирование показало, что максимальный поток нейтронов и, соответственно, пик эффективной дозы облучения приходятся на глубину около 30 см под поверхностью. Это означает, что просто «закопаться» на небольшую глубину — контрпродуктивно. Для обеспечения безопасности необходимо либо не строить под поверхностью вообще, либо закапываться значительно глубже.
Расчёт безопасной глубины
Учёные рассчитали необходимую толщину защитного слоя реголита, исходя из физиологически обоснованного предела годовой эквивалентной дозы. Если принять пороговое значение в 100 миллизиверт (мЗв) в год, то толщина слоя грунта должна составлять от 1 до 1,6 метра. Для контекста: предельная годовая доза для населения в большинстве стран установлена на уровне около 1 мЗв, а для работников атомной промышленности, например в Канаде, — 50 мЗв в год.
Идеальные места для базы
Таким образом, оптимальными для размещения марсианской базы являются низменные районы планеты, где атмосферное давление максимально, а жилые модули должны располагаться на глубине не менее полутора метров. Наилучшие кандидаты — обширные низменности северного полушария Марса, а также система каньонов Долины Маринер на экваторе. Эти регионы привлекательны не только более толстой атмосферой, но и возможным наличием залежей водяного льда близко к поверхности. Лёд — это ценный ресурс, а содержащийся в нём водород является отличным замедлителем нейтронов, что обеспечит дополнительную защиту от вторичного нейтронного излучения (подобный принцип используется в ядерных реакторах).
Художественное видение подземной марсианской колонии.
Реалистичность миссий
Если планы космических агентств осуществятся, первые астронавты могут ступить на Марс уже в следующем десятилетии. Сам перелёт с текущими технологиями займёт от полугода до девяти месяцев, а продолжительность первой «вахты» на поверхности может составить до 18 месяцев — в ожидании следующего стартового окна для возвращения. Таким образом, общее время пребывания в условиях повышенного радиационного фона может достичь трёх лет. Вопрос о том, насколько реализуема такая миссия с точки зрения радиационной безопасности, остаётся открытым, что делает выбор правильного места для будущего «дома» на Марсе задачей первостепенной важности.
Автор — Сергей Шапиро, XX2 ВЕК.
Источники: https://www.universetoday.com/155655/which-parts-of-mars-are-the-safest-from-cosmic-radiation, https://eos.org/editor-highlights/life-on-mars-estimating-radiation-risks-for-martian-astronauts, https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2021JE007157, https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2019JE006246
#астрономия #астрофизика #марс #космическиелучи #биозащита
Больше интересных статей здесь: Космос.
Источник статьи: Где поселиться на Марсе? Китайские планетологи ищут подходящее место для базы.