Lo que protege a la tierra de la radiación. La radiación cósmica podría poner fin a futuros vuelos espaciales

El espacio es radiactivo. Es simplemente imposible esconderse de la radiación. Imagina que estás parado en medio de una tormenta de arena y un remolino de pequeños guijarros gira constantemente a tu alrededor, lastimándote la piel. Así es como se ve la radiación cósmica. Y esta radiación causa un daño considerable. Pero el problema es que, a diferencia de los guijarros y los trozos de tierra, la radiación ionizante no rebota en la carne humana. La atraviesa como una bala de cañón atraviesa un edificio. Y esta radiación causa un daño considerable.

La semana pasada, científicos del Centro Médico de la Universidad de Rochester publicaron un estudio que muestra que la exposición prolongada a la radiación galáctica, a la que los astronautas pueden estar expuestos en Marte, puede aumentar el riesgo de enfermedad de Alzheimer.

Leer los informes de los medios sobre este estudio me despertó la curiosidad. Llevamos más de medio siglo enviando personas al espacio. Tenemos la oportunidad de seguir a toda una generación de astronautas: cómo envejecen y mueren. Y monitoreamos constantemente el estado de salud de quienes vuelan hoy al espacio. Trabajos científicos como el que se lleva a cabo en la Universidad de Rochester se llevan a cabo en animales de laboratorio como ratones y ratas. Están diseñados para ayudarnos a prepararnos para el futuro. Pero ¿qué sabemos del pasado? ¿La radiación ha afectado a personas que ya han estado en el espacio? ¿Cómo afecta esto a quienes se encuentran en órbita en este momento?

Hay una diferencia clave entre los astronautas de hoy y los del futuro. La diferencia es la Tierra misma.

La radiación cósmica galáctica, a veces llamada radiación cósmica, es la que causa mayor preocupación entre los investigadores. Está formado por partículas y trozos de átomos que podrían haberse creado como resultado de la formación de una supernova. La mayor parte de esta radiación, aproximadamente el 90%, está formada por protones arrancados de átomos de hidrógeno. Estas partículas vuelan a través de la galaxia casi a la velocidad de la luz.

Y luego chocan contra la Tierra. Nuestro planeta tiene un par de mecanismos de defensa que nos protegen de los efectos de la radiación cósmica. Primero, el campo magnético de la Tierra repele algunas partículas y bloquea otras por completo. Las partículas que han superado esta barrera comienzan a chocar con los átomos de nuestra atmósfera.

Si arrojas una gran torre de Lego por las escaleras, se romperá en pequeños pedazos que saldrán volando con cada nuevo paso. Casi lo mismo sucede en nuestra atmósfera y con la radiación galáctica. Las partículas chocan con los átomos y se rompen para formar nuevas partículas. Estas nuevas partículas nuevamente chocan contra algo y nuevamente se desmoronan. Con cada paso que dan, pierden energía. Las partículas se ralentizan y se debilitan gradualmente. Cuando se "detienen" en la superficie de la Tierra, ya no tienen la poderosa reserva de energía galáctica que poseían antes. Esta radiación es mucho menos peligrosa. Una pequeña pieza de Lego golpea mucho más débilmente que una torre ensamblada a partir de ellas.

Todos los astronautas que hemos enviado al espacio se han beneficiado de las barreras protectoras de la Tierra de muchas maneras, al menos en parte. Francis Cucinotta me habló de esto. Es el director científico del programa de la NASA para estudiar los efectos de la radiación en los humanos. Este es exactamente el tipo que puede decirle cuán dañina es la radiación para los astronautas. Según él, a excepción de los vuelos Apolo a la Luna, el hombre está presente en el espacio bajo la influencia del campo magnético terrestre. La Estación Espacial Internacional, por ejemplo, está por encima de la atmósfera, pero todavía en lo profundo de la primera línea de defensa. Nuestros astronautas no están completamente expuestos a la radiación cósmica.

Además, están bajo esa influencia durante un tiempo bastante corto. El vuelo más largo al espacio duró poco más de un año. Y esto es importante porque el daño causado por la radiación tiene un efecto acumulativo. Se arriesga mucho menos cuando se pasa seis meses en la ISS que cuando se emprende un viaje (todavía teórico) de varios años a Marte.

Pero lo que es interesante y bastante alarmante, me dijo Cucinotta, es que incluso con todos estos mecanismos de protección implementados, estamos viendo que la radiación impacta negativamente a los astronautas.

Algo muy desagradable son las cataratas: cambios en el cristalino del ojo que provocan opacidad. Debido a que entra menos luz al ojo a través de una lente opaca, las personas con cataratas ven peor. En 2001, Cucinotta y sus colegas examinaron datos de un estudio en curso sobre la salud de los astronautas y llegaron a la siguiente conclusión. Los astronautas que estuvieron expuestos a una dosis más alta de radiación (porque volaron más veces al espacio o debido a la naturaleza de sus misiones*) tenían más probabilidades de desarrollar cataratas que aquellos que recibieron una dosis más baja de radiación.

Probablemente también exista un mayor riesgo de cáncer, aunque es difícil analizar este riesgo de forma cuantitativa y precisa. El caso es que no disponemos de datos epidemiológicos sobre a qué tipo de radiación están expuestos los astronautas. Sabemos el número de casos de cáncer tras los bombardeos atómicos de Hiroshima y Nagasaki, pero esta radiación no es comparable a la radiación galáctica. En particular, a Cucinotta le preocupan sobre todo los iones de alta frecuencia: partículas altamente atómicas y de alta energía.

Son partículas muy pesadas y se mueven muy rápidamente. En la superficie de la Tierra no experimentamos sus efectos. Son excluidos, inhibidos y destrozados por los mecanismos protectores de nuestro planeta. Sin embargo, los iones de alta frecuencia pueden causar más daño y de forma más variada que la radiación con la que están familiarizados los radiólogos. Lo sabemos porque los científicos comparan muestras de sangre de astronautas antes y después de los vuelos espaciales.

Cucinotta lo llama control previo al vuelo. Los científicos toman una muestra de sangre de un astronauta antes de entrar en órbita. Cuando un astronauta está en el espacio, los científicos dividen la sangre extraída en partes y la exponen a distintos grados de radiación gamma. Esto es como la radiación dañina que a veces encontramos en la Tierra. Luego, cuando el astronauta regresa, comparan estas muestras de sangre tomadas con rayos gamma con lo que realmente le sucedió en el espacio. "Estamos viendo diferencias de dos a tres veces entre diferentes astronautas", me dijo Cucinotta.

Institución educativa estatal regional de Tambov

Internado de educación general con formación inicial de vuelo.

lleva el nombre de M. M. Raskova

Ensayo

"Radiación cósmica"

Completado por: estudiante del pelotón 103.

Krasnoslobodtsev Alexey

Responsable: Pelivan V.S.

Tambov 2008

1. Introducción.

2. ¿Qué es la radiación cósmica?

3. Cómo surge la radiación cósmica.

4. Impacto de la radiación cósmica en los seres humanos y el medio ambiente.

5. Medios de protección contra las radiaciones cósmicas.

6. Formación del Universo.

7. Conclusión.

8. Bibliografía.

1. INTRODUCCIÓN

El hombre no permanecerá en la tierra para siempre,

pero en busca de luz y espacio,

al principio penetrará tímidamente más allá

atmósfera, y luego conquistarlo todo.

espacio circunglobal.

K. Tsiolkovsky

El siglo XXI es el siglo de la nanotecnología y las velocidades gigantescas. Nuestra vida fluye incesante e inevitablemente, y cada uno de nosotros se esfuerza por mantenerse al día. Problemas, problemas, búsqueda de soluciones, un enorme flujo de información de todas partes... ¿Cómo afrontar todo esto, cómo encontrar su lugar en la vida?

Intentemos detenernos y pensar...

Los psicólogos dicen que una persona puede mirar tres cosas indefinidamente: el fuego, el agua y el cielo estrellado. De hecho, el cielo siempre ha atraído al hombre. Es increíblemente hermoso al amanecer y al atardecer, durante el día parece infinitamente azul y profundo. Y, al mirar las nubes ingrávidas que pasan volando, observar el vuelo de los pájaros, uno quiere romper con el bullicio cotidiano, elevarse hacia el cielo y sentir la libertad del vuelo. Y el cielo estrellado en una noche oscura... ¡qué misterioso e inexplicablemente hermoso es! Y cómo quiero levantar el velo del misterio. En esos momentos, te sientes como una pequeña partícula de un espacio enorme, aterrador y al mismo tiempo irresistiblemente atractivo, que se llama Universo.

¿Qué es el Universo? ¿Cómo ocurrió? ¿Qué esconde en sí mismo, qué nos tiene preparado: una “mente universal” y respuestas a numerosas preguntas o la muerte de la humanidad?

Las preguntas surgen en un flujo interminable.

Espacio... Para una persona corriente parece inalcanzable. Pero, sin embargo, su impacto en una persona es constante. En general, fue el espacio exterior el que proporcionó en la Tierra las condiciones que llevaron al surgimiento de la vida como estamos acostumbrados y, por tanto, al surgimiento del hombre mismo. La influencia del espacio todavía se siente en gran medida hoy en día. Las “partículas del universo” nos llegan a través de la capa protectora de la atmósfera y afectan el bienestar, la salud y los procesos que ocurren en el cuerpo de una persona. Esto es para nosotros que vivimos en la Tierra, pero ¿qué podemos decir de quienes exploran el espacio exterior?

Me interesaba esta pregunta: ¿qué es la radiación cósmica y cuál es su efecto en los humanos?

Estoy estudiando en un internado con formación inicial de vuelo. A nosotros vienen niños que sueñan con conquistar el cielo. Y ya han dado el primer paso para hacer realidad su sueño, dejando las paredes de su casa y decidiendo venir a esta escuela, donde estudian los conceptos básicos de vuelo, el diseño de aviones, donde tienen la oportunidad cada día de comunicarse con personas que han subido repetidamente a los cielos. E incluso si todavía son sólo aviones que no pueden vencer completamente la gravedad. Pero este es sólo el primer paso. El destino y el camino de la vida de cualquier persona comienza con el pequeño, tímido e incierto paso de un niño. Quién sabe, tal vez uno de ellos dé el segundo paso, el tercero... y domine las naves espaciales y se eleve hacia las estrellas, hacia las infinitas extensiones del Universo.

Por tanto, este tema es bastante relevante e interesante para nosotros.

2. ¿QUÉ ES LA RADIACIÓN CÓSMICA?

La existencia de los rayos cósmicos fue descubierta a principios del siglo XX. En 1912, el físico australiano W. Hess, mientras ascendía en globo, notó que la descarga de un electroscopio a gran altura se produce mucho más rápido que al nivel del mar. Quedó claro que la ionización del aire, que eliminaba la descarga del electroscopio, era de origen extraterrestre. Millikan fue el primero en hacer esta suposición y fue él quien le dio a este fenómeno su nombre moderno: radiación cósmica.

Ahora se ha establecido que la radiación cósmica primaria consiste en partículas estables de alta energía que vuelan en diversas direcciones. La intensidad de la radiación cósmica en la región del sistema solar tiene un promedio de 2 a 4 partículas por 1 cm 2 por 1 s. Consiste en:

• protones – 91%
• Partículas α – 6,6%
• núcleos de otros elementos más pesados: menos del 1%
• electrones – 1,5%
• Rayos X y rayos gamma de origen cósmico.
• radiación solar.

Las partículas cósmicas primarias que vuelan desde el espacio exterior interactúan con los núcleos de los átomos en las capas superiores de la atmósfera y forman los llamados rayos cósmicos secundarios. La intensidad de los rayos cósmicos cerca de los polos magnéticos de la Tierra es aproximadamente 1,5 veces mayor que en el ecuador.

La energía promedio de las partículas cósmicas es de aproximadamente 10 4 MeV y la energía de las partículas individuales es de 10 12 MeV y más.

3. ¿CÓMO SURGE LA RADIACIÓN CÓSMICA?

Según los conceptos modernos, la principal fuente de radiación cósmica de alta energía son las explosiones de supernovas. Los datos del Telescopio Orbital de Rayos X de la NASA han proporcionado nueva evidencia de que gran parte de la radiación cósmica que bombardea constantemente la Tierra proviene de una onda de choque que se propaga desde una explosión de supernova, que se registró en 1572. Según las observaciones del Observatorio de rayos X Chandra, los restos de la supernova continúan acelerándose a velocidades de más de 10 millones de km/h, produciendo dos ondas de choque acompañadas de una liberación masiva de radiación de rayos X. Además, una ola

se mueve hacia el gas interestelar, y el segundo

hacia adentro, hacia el centro de la estrella anterior. Tú también puedes

argumentan que una proporción significativa de la energía

La onda de choque "interna" se utiliza para acelerar los núcleos atómicos a velocidades cercanas a la luz.

Las partículas de alta energía nos llegan desde otras galaxias. Pueden lograr tales energías acelerando en los campos magnéticos no homogéneos del Universo.

Naturalmente, la fuente de radiación cósmica es también la estrella más cercana a nosotros: el Sol. El Sol emite periódicamente (durante las llamaradas) rayos cósmicos solares, que consisten principalmente en protones y partículas α de baja energía.

4. IMPACTO DE LA RADIACIÓN CÓSMICA EN LOS HUMANOS

Y EL MEDIO AMBIENTE

Los resultados de un estudio realizado por investigadores de la Universidad Sophia Antipolis de Niza muestran que la radiación cósmica jugó un papel fundamental en el surgimiento de la vida biológica en la Tierra. Se sabe desde hace mucho tiempo que los aminoácidos pueden existir en dos formas: zurdos y diestros. Sin embargo, en la Tierra, todos los organismos biológicos naturales se basan únicamente en aminoácidos levógiros. Según personal de la universidad, el motivo debería buscarse en el espacio. La llamada radiación cósmica polarizada circularmente destruyó los aminoácidos diestros. La luz polarizada circularmente es una forma de radiación polarizada por campos electromagnéticos cósmicos. Esta radiación se produce cuando las partículas de polvo interestelar se alinean a lo largo de líneas de campo magnético que impregnan todo el espacio circundante. La luz polarizada circularmente representa el 17% de toda la radiación cósmica en cualquier lugar del espacio. Dependiendo de la dirección de polarización, dicha luz descompone selectivamente uno de los tipos de aminoácidos, como lo confirman los experimentos y los resultados del estudio de dos meteoritos.

La radiación cósmica es una de las fuentes de radiación ionizante en la Tierra.

La radiación de fondo natural debida a la radiación cósmica al nivel del mar es de 0,32 mSv por año (3,4 μR por hora). La radiación cósmica constituye sólo 1/6 de la dosis equivalente efectiva anual que recibe la población. Los niveles de radiación varían en diferentes áreas. Así, los polos Norte y Sur son más susceptibles a los rayos cósmicos que la zona ecuatorial, debido a la presencia de un campo magnético cerca de la Tierra que desvía las partículas cargadas. Además, cuanto más alto estés de la superficie terrestre, más intensa será la radiación cósmica. Por lo tanto, al vivir en zonas montañosas y utilizar constantemente el transporte aéreo, estamos expuestos a un riesgo adicional de exposición a la radiación. Las personas que viven por encima de los 2.000 m sobre el nivel del mar reciben una dosis equivalente efectiva de rayos cósmicos varias veces mayor que la de quienes viven al nivel del mar. Al ascender desde una altura de 4.000 m (la altitud máxima para la habitación humana) a 12.000 m (la altitud máxima para el transporte de pasajeros), el nivel de exposición aumenta 25 veces. Y durante un vuelo de 7,5 horas en un avión turbohélice convencional, la dosis de radiación recibida es de aproximadamente 50 μSv. En total, mediante el uso del transporte aéreo, la población de la Tierra recibe una dosis de radiación de aproximadamente 10.000 Sv-hombre por año, lo que representa un promedio per cápita en el mundo de aproximadamente 1 μSv por año, y en América del Norte, aproximadamente 10 μSv.

La radiación ionizante afecta negativamente a la salud humana; altera las funciones vitales de los organismos vivos:

· al tener una gran capacidad de penetración, destruye las células del cuerpo que se dividen más intensamente: médula ósea, tracto digestivo, etc.

· provoca cambios a nivel genético, lo que posteriormente conduce a mutaciones y a la aparición de enfermedades hereditarias.

· provoca una división intensiva de las células tumorales malignas, lo que conduce a la aparición de cáncer.

· conduce a cambios en el sistema nervioso y la función cardíaca.

· la función sexual está inhibida.

· Provoca discapacidad visual.

La radiación del espacio afecta incluso a la visión de los pilotos de líneas aéreas. Se estudiaron las condiciones de visión de 445 hombres de unos 50 años, de los cuales 79 eran pilotos de líneas aéreas. Las estadísticas han demostrado que para los pilotos profesionales el riesgo de desarrollar cataratas en el núcleo del cristalino es tres veces mayor que para los representantes de otras profesiones, y aún más para los astronautas.

La radiación cósmica es uno de los factores desfavorables para el cuerpo de los astronautas, cuya importancia aumenta constantemente a medida que aumenta el alcance y la duración de los vuelos. Cuando una persona se encuentra fuera de la atmósfera terrestre, donde el bombardeo de los rayos galácticos, así como de los rayos cósmicos solares, es mucho más fuerte: alrededor de 5 mil iones pueden atravesar su cuerpo en un segundo, capaces de destruir los enlaces químicos en el cuerpo y provocando una cascada de partículas secundarias. El peligro de la exposición a radiaciones ionizantes en dosis bajas se debe a un mayor riesgo de cáncer y enfermedades hereditarias. El mayor peligro de los rayos intergalácticos proviene de las partículas pesadas cargadas.

A partir de investigaciones biomédicas y de los niveles estimados de radiación existentes en el espacio, se determinaron las dosis máximas de radiación permitidas para los astronautas. Son 980 rem para los pies, tobillos y manos, 700 rem para la piel, 200 rem para los órganos hematopoyéticos y 200 rem para los ojos. Los resultados experimentales mostraron que en condiciones de ingravidez aumenta la influencia de la radiación. Si se confirman estos datos, es probable que el peligro de la radiación cósmica para los humanos sea mayor de lo que se pensaba inicialmente.

Los rayos cósmicos pueden influir en el tiempo y el clima de la Tierra. Los meteorólogos británicos han demostrado que se observa tiempo nublado durante los períodos de mayor actividad de los rayos cósmicos. El hecho es que cuando las partículas cósmicas irrumpen en la atmósfera, generan amplias "lluvias" de partículas cargadas y neutras, que pueden provocar el crecimiento de gotas en las nubes y un aumento de la nubosidad.

Según una investigación del Instituto de Física Solar-Terrestre, actualmente se observa un aumento anómalo de la actividad solar cuyas causas se desconocen. Una erupción solar es una liberación de energía comparable a la explosión de varios miles de bombas de hidrógeno. Durante las llamaradas particularmente fuertes, la radiación electromagnética que llega a la Tierra cambia el campo magnético del planeta, como si lo sacudiera, lo que afecta el bienestar de las personas sensibles al clima. Estos, según la Organización Mundial de la Salud, constituyen el 15% de la población del planeta. Además, con una alta actividad solar, la microflora comienza a multiplicarse más intensamente y aumenta la susceptibilidad de una persona a muchas enfermedades infecciosas. Así, las epidemias de gripe comienzan 2,3 años antes de la máxima actividad solar o 2,3 años después.

Así, vemos que incluso una pequeña parte de la radiación cósmica que nos llega a través de la atmósfera puede tener un efecto notable en el cuerpo y la salud humanos, en los procesos que tienen lugar en la atmósfera. Una de las hipótesis sobre el origen de la vida en la Tierra sugiere que las partículas cósmicas desempeñan un papel importante en los procesos biológicos y químicos de nuestro planeta.

5. MEDIOS DE PROTECCIÓN CONTRA LAS RADIACIONES CÓSMICAS

Problemas de penetración

hombre al espacio: una especie de prueba

la piedra de la madurez de nuestra ciencia.

Académico N. Sissakyan.

A pesar de que la radiación del Universo pudo haber propiciado el origen de la vida y la aparición del hombre, para el hombre mismo en su forma pura es destructiva.

El espacio vital humano se limita a muy pequeño.

distancias: esta es la Tierra y varios kilómetros sobre su superficie. Y luego – el espacio “hostil”.

Pero, dado que el hombre no deja de intentar penetrar la inmensidad del Universo, sino que lo explora cada vez más intensamente, surgió la necesidad de crear ciertos medios de protección contra la influencia negativa del espacio. Esto es de particular importancia para los astronautas.

Contrariamente a la creencia popular, no es el campo magnético de la Tierra el que nos protege del ataque de los rayos cósmicos, sino una gruesa capa de la atmósfera, donde hay un kilogramo de aire por cada cm 2 de superficie. Por lo tanto, al volar a la atmósfera, un protón cósmico, en promedio, supera solo 1/14 de su altura. Los astronautas se ven privados de esa capa protectora.

Como muestran los cálculos, Es imposible reducir a cero el riesgo de lesiones por radiación durante los vuelos espaciales.. Pero puedes minimizarlo. Y aquí lo más importante es la protección pasiva de la nave espacial, es decir, de sus paredes.

Para reducir el riesgo de cargas de dosis de solar rayos cósmicos, su espesor debe ser de al menos 3-4 cm para las aleaciones ligeras. Los plásticos podrían ser una alternativa a los metales. Por ejemplo, el polietileno, el mismo material con el que se fabrican las bolsas de la compra normales, bloquea un 20% más de rayos cósmicos que el aluminio. El polietileno reforzado es 10 veces más resistente que el aluminio y al mismo tiempo más ligero que el “metal alado”.

CON protección contra los rayos cósmicos galácticos, al poseer energías gigantescas, todo es mucho más complicado. Se proponen varias formas de proteger a los astronautas de ellos. Puedes crear una capa de sustancia protectora alrededor del barco. similar a la atmósfera terrestre. Por ejemplo, si se utiliza agua, que es necesaria en cualquier caso, necesitará una capa de 5 m de espesor. En este caso, la masa del depósito de agua se acercará a las 500 toneladas, lo cual es mucho. También se puede utilizar etileno, un sólido que no requiere tanques. Pero incluso entonces la masa necesaria sería de al menos 400 toneladas. Se puede utilizar hidrógeno líquido. Bloquea los rayos cósmicos 2,5 veces mejor que el aluminio. Es cierto que los contenedores de combustible serían voluminosos y pesados.

fue sugerido Otro esquema para proteger a las personas en órbita., que se puede llamar circuito magnético. Una partícula cargada que se mueve a través de un campo magnético recibe la acción de una fuerza dirigida perpendicular a la dirección del movimiento (fuerza de Lorentz). Dependiendo de la configuración de las líneas de campo, la partícula puede desviarse en casi cualquier dirección o entrar en una órbita circular, donde girará indefinidamente. Para crear un campo de este tipo se necesitarán imanes basados ​​en la superconductividad. Un sistema de este tipo tendrá una masa de 9 toneladas, es mucho más ligero que una sustancia de protección, pero sigue siendo pesado.

Los defensores de otra idea proponen cargar la nave espacial con electricidad., si el voltaje de la piel exterior es 2 · 10 9 V, entonces la nave podrá reflejar todos los protones de los rayos cósmicos con energías de hasta 2 GeV. Pero el campo eléctrico se extenderá a una distancia de decenas de miles de kilómetros y la nave espacial atraerá electrones de este enorme volumen. Chocarán contra la capa con una energía de 2 GeV y se comportarán de la misma manera que los rayos cósmicos.

La “ropa” para los paseos espaciales de los cosmonautas fuera de la nave espacial debería ser un sistema de rescate completo:

· debe crear la atmósfera necesaria para respirar y mantener la presión;

· debe garantizar la eliminación del calor generado por el cuerpo humano;

· debe proteger contra el sobrecalentamiento si la persona se encuentra en el lado soleado y contra el enfriamiento si está a la sombra; la diferencia entre ellos es más de 100 0 C;

· proteger del deslumbramiento por la radiación solar;

· proteger de sustancias meteóricas;

· debe permitir la libre circulación.

El desarrollo del traje espacial comenzó en 1959. Hay varias modificaciones de los trajes espaciales; cambian y mejoran constantemente, principalmente mediante el uso de materiales nuevos y más avanzados.

Un traje espacial es un dispositivo complejo y costoso, y esto es fácil de entender si se familiariza con los requisitos que se le imponen, por ejemplo, al traje espacial de los cosmonautas Apolo. Este traje espacial debe proteger al astronauta de los siguientes factores:

Estructura de un traje espacial semirrígido (para el espacio)

El primer traje espacial para paseos espaciales que utilizó A. Leonov era rígido, inflexible y pesaba unos 100 kg, pero los contemporáneos lo consideraron un verdadero milagro de la tecnología y "una máquina más compleja que un automóvil".

Por tanto, todas las propuestas para proteger a los astronautas de los rayos cósmicos no son fiables.

6. EDUCACIÓN DEL UNIVERSO

Para ser honesto, no sólo queremos saber

cómo está estructurado, pero también, si es posible, para lograr el objetivo

De apariencia utópica y atrevida: comprenda por qué.

la naturaleza es así. Esto es

Elemento prometeico de la creatividad científica.

A. Einstein.

Entonces, la radiación cósmica nos llega desde las infinitas extensiones del Universo. ¿Cómo se formó el Universo mismo?

Fue Einstein quien ideó el teorema a partir del cual se plantearon las hipótesis de su aparición. Existen varias hipótesis sobre la formación del Universo. En la cosmología moderna, las dos más populares son la teoría del Big Bang y la teoría inflacionaria.

Los modelos modernos del Universo se basan en la teoría general de la relatividad de A. Einstein. La ecuación gravitacional de Einstein no tiene una, sino muchas soluciones, lo que explica la existencia de muchos modelos cosmológicos.

El primer modelo fue desarrollado por A. Einstein en 1917. Rechazó los postulados de Newton sobre el carácter absoluto y el infinito del espacio y el tiempo. Según este modelo, el espacio mundial es homogéneo e isotrópico, la materia en él está distribuida uniformemente, la atracción gravitacional de las masas se compensa con la repulsión cosmológica universal. La existencia del Universo es infinita y el espacio es ilimitado, pero finito. El universo en el modelo cosmológico de Einstein es estacionario, infinito en el tiempo e ilimitado en el espacio.

En 1922, el matemático y geofísico ruso A.A. Friedman descartó el postulado de estacionariedad y obtuvo una solución a la ecuación de Einstein, que describe el Universo con un espacio “en expansión”. En 1927, el abad y científico belga J. Lemaitre, basándose en observaciones astronómicas, introdujo el concepto el comienzo del Universo como un estado superdenso y el nacimiento del Universo como el Big Bang. En 1929, el astrónomo estadounidense E. P. Hubble descubrió que todas las galaxias se alejan de nosotros y a una velocidad que aumenta en proporción a la distancia: el sistema galáctico se expande. La expansión del Universo se considera un hecho científicamente establecido. Según los cálculos de J. Lemaitre, el radio del Universo en su estado original era de 10 a 12 cm, lo que

cercano en tamaño al radio del electrón, y su

la densidad fue 10 96 g/cm 3 . De

Desde su estado inicial, el Universo comenzó a expandirse como consecuencia del big bang. El alumno de A. A. Friedman, G. A. Gamov, sugirió que la temperatura de la sustancia después de la explosión fue alta y cayó con la expansión del Universo. Sus cálculos mostraron que el Universo en su evolución pasa por ciertas etapas, durante las cuales se forman elementos y estructuras químicas.

Era de los hadrones(partículas pesadas que entran en fuertes interacciones). La duración de la era es de 0,0001 s, la temperatura es de 10 12 grados Kelvin y la densidad es de 10 14 g/cm 3. Al final de la era se produce la aniquilación de partículas y antipartículas, pero queda un cierto número de protones, hiperones y mesones.

Era de los leptones(partículas de luz que entran en interacción electromagnética). La duración de la era es de 10 s, la temperatura es de 10 10 grados Kelvin y la densidad es de 10 4 g/cm 3. El papel principal lo desempeñan las partículas ligeras que participan en las reacciones entre protones y neutrones.

Era de los fotones. Duración 1 millón de años. La mayor parte de la masa (la energía del Universo) proviene de fotones. Al final de la era, la temperatura desciende de 10 10 a 3000 grados Kelvin, la densidad, de 10 4 g/cm 3 a 1021 g/cm 3. El papel principal lo desempeña la radiación, que al final de la era se separa de la materia.

Era estelar Ocurre 1 millón de años después del nacimiento del Universo. Durante la era estelar se inicia el proceso de formación de protoestrellas y protogalaxias.

Entonces se desarrolla una imagen grandiosa de la formación de la estructura de la Metagalaxia.

Otra hipótesis es el modelo inflacionario del Universo, que considera la creación del Universo. La idea de creación está relacionada con la cosmología cuántica. Este modelo describe la evolución del Universo, a partir del momento 10 -45 s después del inicio de la expansión.

Según esta hipótesis, la evolución cósmica en el Universo temprano pasa por varias etapas. El comienzo del universo es definido por los físicos teóricos como estado de supergravedad cuántica con un radio del Universo de 10 a 50 cm(a modo de comparación: el tamaño de un átomo se define como 10-8 cm y el tamaño de un núcleo atómico es 10-13 cm). Los principales acontecimientos del Universo temprano tuvieron lugar en un período de tiempo insignificante, de 10-45 s a 10-30 s.

Etapa de inflación. Como resultado de un salto cuántico, el Universo pasó a un estado de vacío excitado y en ausencia de materia y radiación intensa expandido según la ley exponencial. Durante este período se creó el espacio y el tiempo del Universo mismo. Durante el período de la etapa inflacionaria que duró 10 -34 s, el Universo se infló desde tamaños cuánticos inimaginablemente pequeños (10 -33) a inimaginablemente grandes (10 1000000) cm, que es muchos órdenes de magnitud mayor que el tamaño del Universo observable. 10 28 cm. En todo este período inicial en el Universo no hubo materia, ni radiación.

Transición de la etapa inflacionaria a la etapa fotónica. El estado de falso vacío se desintegró, la energía liberada dio origen a partículas pesadas y antipartículas que, después de la aniquilación, dieron un poderoso destello de radiación (luz) que iluminó el espacio.

Etapa de separación de la materia de la radiación.: la sustancia que quedó después de la aniquilación se volvió transparente a la radiación, el contacto entre la sustancia y la radiación desapareció. La radiación separada de la materia constituye la moderna. fondo de reliquia Es un fenómeno residual de la radiación inicial que surgió tras la explosión al inicio de la formación del Universo. Posteriormente, el desarrollo del Universo avanzó desde el estado homogéneo más simple hasta la creación de estructuras cada vez más complejas: átomos (inicialmente átomos de hidrógeno), galaxias, estrellas, planetas, la síntesis de elementos pesados ​​​​en las entrañas de las estrellas, incluidos aquellos. necesario para la creación de la vida, para el surgimiento de la vida y como corona de la creación: el hombre.

La diferencia entre las etapas de la evolución del Universo en el modelo inflacionario y el modelo del Big Bang Esto se aplica sólo a la etapa inicial de aproximadamente 10 a 30 s, luego no existen diferencias fundamentales entre estos modelos. Diferencias en la explicación de los mecanismos de la evolución cósmica. asociado con actitudes ideológicas .

El primero fue el problema del principio y el fin de la existencia del Universo., cuyo reconocimiento contradecía las afirmaciones materialistas sobre la eternidad, la increación y la indestructibilidad, etc. del tiempo y el espacio.

En 1965, los físicos teóricos estadounidenses Penrose y S. Hawking demostraron un teorema según el cual en cualquier modelo del Universo en expansión debe necesariamente haber una singularidad: una ruptura en las líneas de tiempo en el pasado, que puede entenderse como el comienzo de los tiempos. . Lo mismo se aplica a la situación en la que la expansión es reemplazada por la compresión; entonces habrá una ruptura en las líneas de tiempo en el futuro: el fin de los tiempos. Además, el punto en el que comenzó la compresión se interpreta como el fin de los tiempos: la Gran Desagüe, en la que no sólo fluyen las galaxias, sino también los "eventos" de todo el pasado del Universo.

El segundo problema está relacionado con la creación del mundo de la nada. A.A. Friedman deduce matemáticamente el momento del inicio de la expansión del espacio con volumen cero, y en su popular libro "El mundo como espacio y tiempo", publicado en 1923, habla de la posibilidad de "crear el mundo a partir de la nada". " En los años 80, el físico estadounidense A. Gut y el físico soviético A. Linde intentaron resolver el problema del surgimiento de todo de la nada. La energía del Universo, que se conserva, se dividió en partes gravitacionales y no gravitacionales, teniendo diferentes signos. Y entonces la energía total del Universo será igual a cero.

La mayor dificultad para los científicos surge al explicar las causas de la evolución cósmica. Hay dos conceptos principales que explican la evolución del Universo: el concepto de autoorganización y el concepto de creacionismo.

Para el concepto de autoorganización, el Universo material es la única realidad y no existe ninguna otra realidad además de él. En este caso, la evolución se describe de la siguiente manera: hay un ordenamiento espontáneo de los sistemas en la dirección de la formación de estructuras cada vez más complejas. El caos dinámico crea orden. No existe ninguna meta para la evolución cósmica.

En el marco del concepto de creacionismo, es decir, creación, la evolución del Universo está asociada a la implementación de un programa determinado por una realidad de orden superior al mundo material. Los defensores del creacionismo llaman la atención sobre la existencia de un desarrollo dirigido desde sistemas simples hacia sistemas más complejos e intensivos en información, durante el cual se crearon las condiciones para el surgimiento de la vida y de los humanos. La existencia del Universo en el que vivimos depende de los valores numéricos de las constantes físicas fundamentales: la constante de Planck, la constante de gravedad, etc. Los valores numéricos de estas constantes determinan las características principales del Universo, los tamaños de los átomos, planetas, estrellas, la densidad de la materia y la vida útil del Universo. De ahí se llega a la conclusión de que la estructura física del Universo está programada y dirigida hacia el surgimiento de la vida. El objetivo final de la evolución cósmica es la aparición del hombre en el Universo de acuerdo con los planes del Creador.

Otro problema no resuelto es el destino futuro del Universo. ¿Seguirá expandiéndose indefinidamente o este proceso se revertirá después de un tiempo y comenzará la etapa de compresión? Se puede elegir entre estos escenarios si existen datos sobre la masa total de materia en el Universo (o su densidad media), que aún no son suficientes.

Si la densidad de energía en el Universo es baja, se expandirá para siempre y se enfriará gradualmente. Si la densidad de energía es mayor que un cierto valor crítico, entonces la etapa de expansión será reemplazada por una etapa de compresión. El universo se reducirá de tamaño y se calentará.

El modelo inflacionario predijo que la densidad energética sería crítica. Sin embargo, las observaciones astrofísicas realizadas antes de 1998 indicaron que la densidad de energía era aproximadamente el 30% del valor crítico. Pero los descubrimientos de las últimas décadas han permitido “encontrar” la energía faltante. Se ha demostrado que el vacío tiene energía positiva (llamada energía oscura) y está distribuida uniformemente en el espacio (lo que demuestra una vez más que no hay partículas "invisibles" en el vacío).

Hoy en día existen muchas más opciones para responder a la pregunta sobre el futuro del Universo, y dependen en gran medida de qué teoría es correcta para explicar la energía oculta. Pero podemos decir inequívocamente que nuestros descendientes verán el mundo que nos rodea de manera completamente diferente a como usted y yo.

Hay sospechas muy fundadas de que, además de los objetos que vemos en el Universo, hay un número aún mayor de objetos ocultos, pero también con masa, y esta “masa oscura” puede ser 10 o más veces mayor que la visible.

Brevemente, las características del Universo se pueden presentar de esta forma.

Breve biografía del universo

Edad: 13,7 mil millones de años

Tamaño de la parte observable del Universo:

13,7 mil millones de años luz, aproximadamente 10 28 cm

Densidad media de la materia: 10-29 g/cm3

Peso: más de 10 50 toneladas

Peso al nacer:

según la teoría del Big Bang - infinito

según la teoría de la inflación: menos de un miligramo

Temperatura del Universo:

en el momento de la explosión – 10 27 K

moderno – 2,7K

7. CONCLUSIÓN

Al recopilar información sobre la radiación cósmica y su impacto en el medio ambiente, me convencí de que todo en el mundo está interconectado, todo fluye y cambia, y constantemente sentimos los ecos del pasado lejano, a partir de la formación del Universo.

Las partículas que nos han llegado desde otras galaxias llevan consigo información sobre mundos distantes. Estos "extraterrestres" son capaces de tener un impacto significativo en la naturaleza y los procesos biológicos de nuestro planeta.

Todo es diferente en el espacio: la Tierra y el cielo, los atardeceres y los amaneceres, la temperatura y la presión, las velocidades y las distancias. Gran parte de esto nos parece incomprensible.

El espacio aún no es nuestro amigo. Se enfrenta al hombre como una fuerza extraña y hostil, y cada astronauta que entra en órbita debe estar preparado para luchar contra ella. Esto es muy difícil y una persona no siempre sale victoriosa. Pero cuanto más cara es la victoria, más valiosa es.

La influencia del espacio exterior es bastante difícil de evaluar; por un lado, condujo al surgimiento de la vida y, en última instancia, creó al hombre mismo, por otro lado, nos vemos obligados a defendernos de él; En este caso, obviamente, es necesario llegar a un compromiso y tratar de no destruir el frágil equilibrio que existe actualmente.

Yuri Gagarin, al ver la Tierra por primera vez desde el espacio, exclamó: “¡Qué pequeña es!” Debemos recordar estas palabras y cuidar nuestro planeta con todas nuestras fuerzas. Después de todo, sólo podemos llegar al espacio desde la Tierra.

8. BIBLIOGRAFÍA.

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7.http://www. papel. ru/ noticias/ misc/ spacenews/ 12/00/25. htm

8. http://www. grani. ru/Sociedad/Ciencia/m. 67908.html

La radiación cósmica plantea un problema importante para los diseñadores de naves espaciales. Se esfuerzan por proteger de él a los astronautas que estarán en la superficie de la Luna o emprenderán largos viajes a las profundidades del Universo. Si no se proporciona la protección necesaria, estas partículas, que vuelan a gran velocidad, penetrarán en el cuerpo del astronauta y dañarán su ADN, lo que puede aumentar el riesgo de cáncer. Desafortunadamente, hasta ahora todos los métodos de protección conocidos son ineficaces o impracticables.
Los materiales utilizados tradicionalmente para construir naves espaciales, como el aluminio, atrapan algunas partículas espaciales, pero las misiones espaciales de larga duración requieren una protección más fuerte.
La Agencia Aeroespacial de los Estados Unidos (NASA) adopta voluntariamente las ideas más extravagantes, a primera vista. Después de todo, nadie puede predecir con seguridad cuál de ellos algún día se convertirá en un gran avance en la investigación espacial. La agencia tiene un instituto especial para conceptos avanzados (Instituto de Conceptos Avanzados de la NASA - NIAC), diseñado para acumular precisamente este tipo de desarrollos a muy largo plazo. A través de este instituto, la NASA distribuye subvenciones a diversas universidades e institutos para el desarrollo de la “locura brillante”.
Actualmente se están explorando las siguientes opciones:

Protección con determinados materiales. Algunos materiales, como el agua o el polipropileno, tienen buenas propiedades protectoras. Pero para proteger una nave espacial con ellos, se necesitarán muchos y el peso de la nave será inaceptablemente grande.
Actualmente, los empleados de la NASA han desarrollado un nuevo material ultrarresistente, similar al polietileno, que planean utilizar en el montaje de futuras naves espaciales. El “plástico espacial” podrá proteger a los astronautas de la radiación cósmica mejor que los escudos metálicos, pero es mucho más ligero que los metales conocidos. Los expertos están convencidos de que si el material adquiere suficiente resistencia al calor, será posible fabricar con él incluso el revestimiento de una nave espacial.
Anteriormente se creía que sólo una capa totalmente metálica permitiría que una nave espacial tripulada atravesara los cinturones de radiación de la Tierra, corrientes de partículas cargadas sostenidas por el campo magnético cerca del planeta. Esto no ocurrió durante los vuelos a la ISS, ya que la órbita de la estación pasa notablemente por debajo de la zona peligrosa. Además, los astronautas se ven amenazados por las erupciones solares, una fuente de rayos gamma y X, y partes de la propia nave son capaces de emitir radiación secundaria, debido a la desintegración de los radioisótopos formados durante el "primer encuentro" con la radiación.
Ahora los científicos creen que el nuevo plástico RXF1 soluciona mejor estos problemas y su baja densidad no es el último argumento a su favor: la capacidad de carga de los cohetes aún no es lo suficientemente alta. Se conocen los resultados de las pruebas de laboratorio en las que se comparó con el aluminio: RXF1 puede soportar cargas tres veces mayores con una densidad tres veces menor y atrapa más partículas de alta energía. El polímero aún no ha sido patentado, por lo que no se ha informado sobre el método de fabricación. Lenta.ru informa esto con referencia a science.nasa.gov.

Estructuras inflables. El módulo inflable, fabricado con plástico RXF1 de gran durabilidad, no sólo será más compacto en el momento del lanzamiento, sino también más ligero que una estructura sólida de acero. Por supuesto, sus desarrolladores tendrán que proporcionar una protección bastante fiable contra los micrometeoritos combinados con los "desechos espaciales", pero esto no tiene nada de imposible.
Ya hay algo allí: el barco privado inflable no tripulado Génesis II ya está en órbita. Lanzado en 2007 por el cohete ruso Dnepr. Además, su peso es bastante impresionante para un dispositivo creado por una empresa privada: más de 1300 kg.

CSS (Estación Espacial Comercial) Skywalker es un proyecto comercial de una estación orbital inflable. La NASA destina alrededor de 4 mil millones de dólares para apoyar el proyecto para el período 20110-2013. Se trata del desarrollo de nuevas tecnologías de módulos inflables para la exploración del espacio y los cuerpos celestes del Sistema Solar.

No se sabe cuánto costará la estructura inflable. Pero ya se han anunciado los costes totales del desarrollo de nuevas tecnologías. En 2011 se asignarán a estos fines 652 millones de dólares, en 2012 (si no se revisa nuevamente el presupuesto) - 1.262 millones de dólares, en 2013 - 1.808 millones de dólares, se prevé aumentar constantemente los costes de investigación, pero teniendo en cuenta la triste experiencia. de plazos incumplidos y estimaciones de Constelaciones, sin centrarse en un programa a gran escala.
Módulos inflables, dispositivos automáticos para el atraque de vehículos, sistemas de almacenamiento de combustible en órbita, módulos autónomos de soporte vital y complejos que permiten aterrizar en otros cuerpos celestes. Esta es sólo una pequeña parte de las tareas a las que se enfrenta ahora la NASA para resolver el problema de llevar al hombre a la Luna.

Protección magnética y electrostática. Se pueden utilizar imanes potentes para repeler partículas voladoras, pero los imanes son muy pesados ​​y aún no se sabe qué tan peligroso sería para los astronautas un campo magnético lo suficientemente fuerte como para reflejar la radiación cósmica.

Una nave espacial o estación en la superficie lunar con protección magnética. Un imán superconductor toroidal con intensidad de campo no permitirá que la mayoría de los rayos cósmicos penetren en la cabina ubicada dentro del imán y, por lo tanto, reducirá las dosis totales de radiación cósmica en decenas o más veces.

Los proyectos prometedores de la NASA son un escudo antirradiación electrostático para una base lunar y un telescopio lunar con espejo líquido (ilustraciones de spaceflightnow.com).

Protección de hidrógeno líquido. La NASA está considerando la posibilidad de utilizar tanques de combustible de naves espaciales que contengan hidrógeno líquido, que pueden colocarse alrededor del compartimento de la tripulación, como protección contra la radiación cósmica. Esta idea se basa en el hecho de que la radiación cósmica pierde energía cuando choca con los protones de otros átomos. Dado que un átomo de hidrógeno tiene sólo un protón en su núcleo, un protón de cada uno de sus núcleos "frena" la radiación. En elementos con núcleos más pesados, algunos protones bloquean a otros, por lo que los rayos cósmicos no llegan a ellos. Se puede proporcionar protección con hidrógeno, pero no es suficiente para prevenir los riesgos de cáncer.

Biotraje. Este proyecto Bio-Suit está siendo desarrollado por un grupo de profesores y estudiantes del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT). "Bio" - en este caso no significa biotecnología, sino ligereza, comodidad inusual para los trajes espaciales y, en algunos casos, incluso la imperceptibilidad del caparazón, que es como una continuación del cuerpo.
En lugar de coser y pegar un traje espacial a partir de piezas separadas de diferentes tejidos, se rociará directamente sobre la piel de una persona en forma de un spray que se endurece rápidamente. Es cierto que el casco, los guantes y las botas seguirán siendo tradicionales.
La tecnología de dicha pulverización (se utiliza un polímero especial como material) ya está siendo probada por el ejército estadounidense. Este proceso se llama Electrospinlacing y lo están desarrollando especialistas del centro de investigación del ejército de los EE. UU. - Centro de sistemas Soldier, Natick.
En pocas palabras, podemos decir que pequeñas gotas o fibras cortas de polímero adquieren una carga eléctrica y, bajo la influencia de un campo electrostático, se precipitan hacia su objetivo, el objeto que debe cubrirse con una película, donde forman una superficie fusionada. Los científicos del MIT pretenden crear algo similar, pero capaz de crear una película hermética a la humedad y al aire en el cuerpo de una persona viva. Después del endurecimiento, la película adquiere una gran resistencia, manteniendo una elasticidad suficiente para el movimiento de brazos y piernas.
Cabe agregar que el proyecto prevé la opción de rociar varias capas diferentes sobre la carrocería de manera similar, alternando con una variedad de componentes electrónicos incorporados.

La línea de desarrollo de trajes espaciales imaginada por los científicos del MIT (ilustración del sitio web mvl.mit.edu).

Pero si no se empieza a avanzar hacia este resultado ahora, el “futuro fantástico” no llegará.

La órbita de la Estación Espacial Internacional se ha elevado varias veces y su altitud ahora supera los 400 km. Esto se hizo para alejar el laboratorio volador de las densas capas de la atmósfera, donde las moléculas de gas todavía ralentizan notablemente el vuelo y la estación pierde altura. Para no ajustar la órbita con demasiada frecuencia, sería bueno elevar la estación aún más, pero esto no se puede hacer. El cinturón de radiación inferior (de protones) comienza aproximadamente a 500 km de la Tierra. Un vuelo largo dentro de cualquiera de los cinturones de radiación (y hay dos) será desastroso para las tripulaciones.

Cosmonauta-liquidador

Sin embargo, no se puede decir que a la altitud a la que vuela actualmente la ISS no existan problemas de seguridad radiológica. En primer lugar, en la región del Atlántico Sur existe la llamada anomalía magnética brasileña o del Atlántico Sur. Aquí el campo magnético de la Tierra parece hundirse, y con ello el cinturón de radiación inferior aparece más cerca de la superficie. Y la ISS todavía lo toca, volando en esta zona.

En segundo lugar, una persona en el espacio está amenazada por la radiación galáctica: una corriente de partículas cargadas que se precipitan desde todas direcciones y a una velocidad enorme, generada por explosiones de supernovas o la actividad de púlsares, quásares y otros cuerpos estelares anómalos. Algunas de estas partículas son retenidas por el campo magnético de la Tierra (que es uno de los factores en la formación de cinturones de radiación), mientras que la otra parte pierde energía en colisiones con moléculas de gas en la atmósfera. Algo llega a la superficie de la Tierra, por lo que un pequeño fondo radiactivo está presente en absolutamente todas partes de nuestro planeta. En promedio, una persona que vive en la Tierra y no tiene contacto con fuentes de radiación recibe una dosis de 1 milisievert (mSv) al año. Un astronauta en la ISS gana entre 0,5 y 0,7 mSv. ¡A diario!

Los cinturones de radiación de la Tierra son regiones de la magnetosfera en las que se acumulan partículas cargadas de alta energía. El cinturón interior está formado principalmente por protones, el exterior por electrones. En 2012, un satélite de la NASA descubrió otro cinturón que se encuentra entre los dos conocidos.

“Se puede hacer una comparación interesante”, afirma Vyacheslav Shurshakov, jefe del departamento de seguridad radiológica de los cosmonautas del Instituto de Problemas Médicos y Biológicos de la Academia de Ciencias de Rusia, candidato de ciencias físicas y matemáticas. — Se considera que la dosis anual permitida para un empleado de una central nuclear es de 20 mSv, es decir, 20 veces más de lo que recibe una persona común y corriente. Para los especialistas en respuesta a emergencias, estas personas especialmente capacitadas, la dosis máxima anual es de 200 mSv. Esto ya es 200 veces más comparado con la dosis habitual y... casi lo mismo que recibe un astronauta después de trabajar durante un año en la ISS”.

Actualmente, la medicina ha establecido un límite máximo de dosis que una persona no puede superar durante su vida para evitar problemas graves de salud. Esto es 1000 mSv o 1 Sv. Así, incluso un trabajador de una central nuclear con sus estándares puede trabajar tranquilamente durante cincuenta años sin preocuparse por nada. El astronauta agotará su límite en apenas cinco años. Pero incluso después de volar durante cuatro años y haber alcanzado los 800 mSv legales, es poco probable que se le permita realizar un nuevo vuelo de un año de duración, porque existirá el riesgo de superar el límite.

“Otro factor de riesgo de radiación en el espacio”, explica Viacheslav Shurshakov, “es la actividad del Sol, especialmente las llamadas emisiones de protones. En el momento de la expulsión, un astronauta en la ISS puede recibir 30 mSv adicionales en poco tiempo. Es bueno que los eventos de protones solares ocurran raramente: 1 o 2 veces durante el ciclo de actividad solar de 11 años. Lo malo es que estos procesos ocurren de forma estocástica, en un orden aleatorio, y son difíciles de predecir. No recuerdo tal cosa que nuestra ciencia nos hubiera advertido de antemano sobre la inminente liberación. Normalmente las cosas son diferentes. Los dosímetros de la ISS muestran de repente un aumento en el fondo, llamamos a los especialistas solares y recibimos la confirmación: sí, se observa una actividad anómala en nuestra estrella. Precisamente debido a eventos tan repentinos de protones solares, nunca sabemos exactamente qué dosis traerá un astronauta de un vuelo”.

Partículas que te vuelven loco

Los problemas de radiación para las tripulaciones que viajan a Marte comenzarán en la Tierra. Una nave que pese 100 toneladas o más tendrá que acelerar durante mucho tiempo a través de la órbita terrestre baja, y parte de esta trayectoria pasará por el interior de los cinturones de radiación. Ya no son horas, sino días y semanas. A continuación, salen más allá de la magnetosfera y la radiación galáctica en su forma primordial, muchas partículas cargadas pesadas, cuyo impacto se siente poco bajo el "paraguas" del campo magnético de la Tierra.

“El problema es que hoy en día se ha estudiado poco el efecto de las partículas en órganos críticos del cuerpo humano (por ejemplo, el sistema nervioso), dice Viacheslav Shurshakov. Quizás la radiación provoque pérdida de memoria en el astronauta, reacciones de comportamiento anormales y agresión. Y es muy probable que estos efectos no estén ligados a una dosis específica. Hasta que no se hayan acumulado suficientes datos sobre la existencia de organismos vivos fuera del campo magnético de la Tierra, emprender expediciones espaciales de larga duración es muy arriesgado”.

Cuando los expertos en seguridad radiológica sugieren que los diseñadores de naves espaciales refuercen la bioprotección, responden con una pregunta aparentemente completamente racional: “¿Cuál es el problema? ¿Alguno de los astronautas murió a causa de la enfermedad por radiación? Desafortunadamente, las dosis de radiación recibidas a bordo, no incluso de las naves espaciales del futuro, sino de la conocida ISS, aunque cumplen con los estándares, no son en absoluto inofensivas. Por alguna razón, los cosmonautas soviéticos nunca se quejaron de su vista; aparentemente, temían por sus carreras, pero los datos estadounidenses muestran claramente que la radiación cósmica aumenta el riesgo de cataratas y opacidad del cristalino. Los estudios de sangre de los astronautas demuestran un aumento de las aberraciones cromosómicas en los linfocitos después de cada vuelo espacial, lo que en medicina se considera un marcador tumoral. En general, se concluyó que recibir una dosis permitida de 1 Sv durante la vida acorta la vida en promedio tres años.

Riesgos lunares

Uno de los argumentos "fuertes" de los partidarios de la "conspiración lunar" es la afirmación de que cruzar los cinturones de radiación y estar en la Luna, donde no hay campo magnético, provocaría la muerte inevitable de los astronautas por enfermedad por radiación. De hecho, los astronautas estadounidenses tuvieron que cruzar los cinturones de radiación de la Tierra: protones y electrones. Pero esto ocurrió en tan sólo unas horas, y las dosis recibidas por las tripulaciones del Apolo durante las misiones resultaron ser significativas, pero comparables a las recibidas por los residentes de la ISS desde hace mucho tiempo. “Por supuesto, los estadounidenses tuvieron suerte”, dice Viacheslav Shurshakov, “después de todo, durante sus vuelos no se produjo ni un solo evento de protones solares. Si esto hubiera sucedido, los astronautas habrían recibido dosis subletales: no 30 mSv, sino 3 Sv.

¡Moja tus toallas!

“Nosotros, los expertos en el campo de la seguridad radiológica”, afirma Viacheslav Shurshakov, “insistimos en que se refuerce la protección de las tripulaciones. Por ejemplo, en la EEI las más vulnerables son las cabinas de los astronautas, donde descansan. No hay masa adicional y sólo una pared de metal de unos pocos milímetros de espesor separa a una persona del espacio exterior. Si reducimos esta barrera al equivalente de agua aceptado en radiología, queda sólo 1 cm de agua. A modo de comparación: la atmósfera terrestre, bajo la cual nos protegemos de la radiación, equivale a 10 m de agua. Recientemente propusimos proteger las cabinas de los astronautas con una capa adicional de toallas y servilletas empapadas en agua, lo que reduciría en gran medida los efectos de la radiación. Se están desarrollando medicamentos para proteger contra la radiación, aunque todavía no se utilizan en la ISS. Quizás en el futuro, utilizando la medicina y la ingeniería genética, podamos mejorar el cuerpo humano para que sus órganos críticos sean más resistentes a los factores de radiación. Pero en cualquier caso, sin una atención científica cercana a este problema, los vuelos espaciales de larga distancia pueden caer en el olvido”.

07.12.2016

El dispositivo RAD consta de tres obleas de silicio de estado sólido que actúan como detector. Además, tiene un cristal de yoduro de cesio, que se utiliza como centelleador. El RAD está montado para mirar el cenit durante el aterrizaje y capturar un campo de 65 grados.

De hecho, se trata de un telescopio de radiación que detecta radiaciones ionizantes y partículas cargadas en un amplio rango.

La dosis equivalente de exposición a la radiación absorbida es 2 veces mayor que la dosis de la ISS.

Un vuelo de seis meses a Marte equivale aproximadamente a 1 año en órbita terrestre baja. Teniendo en cuenta que la duración total de la expedición debería ser de unos 500 días, las perspectivas no son optimistas.

Para los humanos, la radiación acumulada de 1 Sievert aumenta el riesgo de cáncer en un 5%. La NASA permite a sus astronautas acumular no más del 3% de riesgo, o 0,6 Sievert, a lo largo de sus carreras.

La esperanza de vida de los astronautas es inferior a la media de sus países. Al menos una cuarta parte de las muertes se deben al cáncer.

De los 112 cosmonautas rusos que volaron, 28 ya no están con nosotros. Cinco personas murieron: Yuri Gagarin, en el caza, Vladimir Komarov, Georgy Dobrovolsky, Vladislav Volkov y Viktor Patsayev, cuando regresaban de la órbita a la Tierra. Vasily Lazarev murió envenenado con alcohol de baja calidad.

De los 22 conquistadores restantes del océano estrella, la causa de la muerte de nueve fue la oncología. Anatoly Levchenko (47 años), Yuri Artyukhin (68), Lev Demin (72), Vladimir Vasyutin (50), Gennady Strekalov (64), Gennady Sarafanov (63), Konstantin Feoktistov (83), Vitaly Sevastyanov (75) murieron de cáncer. ). No se ha revelado la causa oficial de la muerte de otro astronauta que murió de cáncer. Los más sanos y fuertes son seleccionados para vuelos más allá de la Tierra.

Así, nueve de los 22 astronautas que murieron de cáncer representan el 40,9%. Ahora veamos estadísticas similares para el país en su conjunto. El año pasado, 1 millón 768 mil 500 rusos abandonaron este mundo (datos de Rosstat). Al mismo tiempo, 173,2 mil murieron por causas externas (emergencias en el transporte, intoxicaciones por alcohol, suicidios, asesinatos). Eso deja 1 millón 595 mil 300. ¿Cuántos ciudadanos han muerto por la oncología? Respuesta: 265,1 mil personas. O el 16,6%. Comparemos: 40,9 y 16,6%. Resulta que los ciudadanos comunes y corrientes mueren de cáncer 2,5 veces menos que los astronautas.

No existe información similar sobre el cuerpo de astronautas estadounidenses. Pero incluso los datos fragmentarios indican que la oncología también afecta a los astronautas estadounidenses. Aquí hay una lista incompleta de víctimas de esta terrible enfermedad: John Swigert Jr. - cáncer de médula ósea, Donald Slayton - cáncer de cerebro, Charles Veach - cáncer de cerebro, David Walker - cáncer, Alan Shepard - leucemia, George Lowe - cáncer de colon, Ronald París - cerebro tumor cerebral

Durante un vuelo a la órbita terrestre, cada miembro de la tripulación recibe la misma cantidad de radiación que si hubiera sido examinado en una sala de rayos X entre 150 y 400 veces.

Teniendo en cuenta que la dosis diaria en la ISS es de hasta 1 mSv (la dosis anual permitida para los seres humanos en la Tierra), el período máximo de permanencia de los astronautas en órbita se limita a aproximadamente 600 días durante toda su carrera.

En Marte, la radiación debería ser aproximadamente dos veces menor que en el espacio, debido a la atmósfera y al polvo que contiene, es decir, corresponder al nivel de la ISS, pero los indicadores exactos aún no se han publicado. Los indicadores RAD durante los días de tormentas de polvo serán interesantes: descubriremos qué tan bueno es el polvo marciano como escudo contra la radiación.

Ahora el récord de permanencia en órbita cercana a la Tierra pertenece a Sergei Krikalev, de 55 años: tiene 803 días. Pero los recogió de forma intermitente; en total, realizó 6 vuelos entre 1988 y 2005.

La radiación en el espacio proviene principalmente de dos fuentes: del Sol, durante las erupciones y eyecciones coronales, y de los rayos cósmicos, que ocurren durante las explosiones de supernovas u otros eventos de alta energía en nuestra galaxia y otras galaxias.

En la ilustración: la interacción del “viento” solar y la magnetosfera de la Tierra.

Los rayos cósmicos constituyen la mayor parte de la radiación durante los viajes interplanetarios. Representan una proporción de radiación de 1,8 mSv por día. Sólo el tres por ciento de la radiación acumulada por Curiosity proviene del Sol. Esto también se debe a que el vuelo se desarrolló en un momento relativamente tranquilo. Los brotes aumentan la dosis total y se acerca a los 2 mSv por día.

Los picos ocurren durante las erupciones solares.

Los medios técnicos actuales son más eficaces contra la radiación solar, que tiene poca energía. Por ejemplo, se puede equipar una cápsula protectora donde los astronautas puedan esconderse durante las erupciones solares. Sin embargo, ni siquiera las paredes de aluminio de 30 cm protegerán de los rayos cósmicos interestelares. Los de plomo probablemente ayudarían mejor, pero esto aumentaría significativamente la masa del barco, lo que significa el costo de botarlo y acelerarlo.

Puede que sea necesario montar una nave espacial interplanetaria en órbita alrededor de la Tierra, colgando pesadas placas de plomo para protegerla contra la radiación. O utilizar la Luna para el montaje, donde el peso de la nave espacial será menor.

El medio más eficaz para minimizar la exposición a la radiación deberían ser nuevos tipos de motores, que reducirán significativamente el tiempo de vuelo a Marte y de regreso. La NASA está trabajando actualmente en propulsión eléctrica solar y propulsión térmica nuclear. El primero puede, en teoría, acelerar hasta 20 veces más rápido que los motores químicos modernos, pero la aceleración será muy larga debido al bajo empuje. Se supone que un dispositivo con un motor de este tipo se enviará para remolcar un asteroide que la NASA quiere capturar y trasladar a la órbita lunar para su posterior visita de los astronautas.

Los avances más prometedores y alentadores en propulsión eléctrica se están llevando a cabo en el marco del proyecto VASIMR. Pero para viajar a Marte, los paneles solares no serán suficientes: necesitarás un reactor.

Un motor térmico nuclear desarrolla un impulso específico aproximadamente tres veces mayor que los tipos de cohetes modernos. Su esencia es simple: el reactor calienta el gas de trabajo (presumiblemente hidrógeno) a altas temperaturas sin el uso de un oxidante, que es necesario para los cohetes químicos. En este caso, el límite de temperatura de calentamiento está determinado únicamente por el material del que está hecho el motor.

Pero tal simplicidad también causa dificultades: el empuje es muy difícil de controlar. La NASA está intentando solucionar este problema, pero no considera una prioridad el desarrollo de motores de propulsión nuclear.

El uso de un reactor nuclear también es prometedor porque parte de la energía podría usarse para generar un campo electromagnético, que además protegería a los pilotos de la radiación cósmica y de la radiación del propio reactor. La misma tecnología haría rentable extraer agua de la Luna o de los asteroides, es decir, estimularía aún más el uso comercial del espacio.

Aunque ahora esto no es más que un razonamiento teórico, es posible que tal esquema se convierta en la clave para un nuevo nivel de exploración del sistema solar.

Requisitos adicionales para microcircuitos espaciales y militares.

En primer lugar, existen mayores requisitos de confiabilidad (tanto del cristal como de la carcasa), resistencia a vibraciones y sobrecargas, humedad, el rango de temperatura es significativamente más amplio, ya que el equipo militar debe funcionar tanto a -40 ° C como cuando se calienta a 100 ° C. .

Luego, la resistencia a los factores dañinos de una explosión nuclear: EMP, una gran dosis instantánea de radiación gamma / neutrones. Puede que no sea posible un funcionamiento normal en el momento de la explosión, pero al menos el dispositivo no debería sufrir daños irreversibles.

Y finalmente, si el microcircuito es para el espacio, la estabilidad de los parámetros a medida que la dosis total de radiación aumenta lentamente y la supervivencia después del encuentro con partículas de radiación cósmica fuertemente cargadas.

¿Cómo afecta la radiación a los microcircuitos?

En “trozos de partículas”, la radiación cósmica consta de un 90% de protones (es decir, iones de hidrógeno), un 7% de núcleos de helio (partículas alfa), ~1% de átomos más pesados ​​y ~1% de electrones. Bueno, las estrellas (incluido el Sol), los núcleos de las galaxias, la Vía Láctea, iluminan todo abundantemente no solo con luz visible, sino también con rayos X y radiación gamma. Durante las erupciones solares, la radiación del sol aumenta entre 1.000 y 1.000.000 de veces, lo que puede suponer un problema grave (tanto para las personas del futuro como para las naves espaciales actuales fuera de la magnetosfera terrestre).

No hay neutrones en la radiación cósmica por una razón obvia: los neutrones libres tienen una vida media de 611 segundos y se convierten en protones. Ni siquiera un neutrón puede llegar desde el Sol, excepto a una velocidad muy relativista. Una pequeña cantidad de neutrones llegan de la Tierra, pero son nimiedades.

Alrededor de la Tierra hay dos cinturones de partículas cargadas, los llamados cinturones de radiación: a una altitud de ~4000 km desde los protones y a una altitud de ~17000 km desde los electrones. Allí las partículas se mueven en órbitas cerradas, capturadas por el campo magnético de la Tierra. También existe una anomalía magnética brasileña: el cinturón de radiación interior se acerca a la Tierra, hasta una altitud de 200 km.

Electrones, gamma y rayos X.

Cuando la radiación gamma y de rayos X (incluida la radiación secundaria obtenida debido a la colisión de electrones con el cuerpo del dispositivo) pasa a través del microcircuito, una carga comienza a acumularse gradualmente en la puerta dieléctrica de los transistores y, en consecuencia, los parámetros de los transistores comienzan a cambiar lentamente: el voltaje umbral de los transistores y la corriente de fuga. Un microcircuito digital civil común puede dejar de funcionar normalmente después de 5000 rads (sin embargo, una persona puede dejar de funcionar después de 500-1000 rads).

Además, la radiación gamma y de rayos X hace que todas las uniones pn dentro del chip actúen como pequeñas “baterías solares” - y si en el espacio normalmente no hay suficiente radiación para afectar en gran medida el funcionamiento del chip, durante una explosión nuclear el El flujo de radiación gamma y de rayos X puede ser suficiente para interrumpir el funcionamiento del microcircuito debido al efecto fotoeléctrico.

En una órbita baja de 300 a 500 km (donde vuela la gente), la dosis anual puede ser de 100 rads o menos, por lo que incluso durante 10 años la dosis acumulada será tolerada por los microcircuitos civiles. Pero en órbitas altas >1.000 km la dosis anual puede ser de 10.000 a 20.000 rad, y los microcircuitos convencionales acumularán una dosis letal en cuestión de meses.

Partículas pesadas cargadas (HCP): protones, partículas alfa e iones de alta energía.

Este es el mayor problema en la electrónica espacial: los cargadores de carga de alta energía tienen una energía tan alta que "perforan" el microcircuito (junto con el cuerpo del satélite) y dejan un "rastro" de carga detrás de ellos. En el mejor de los casos, esto puede provocar un error de software (0 se convierte en 1 o viceversa: alteración de un solo evento, SEU); en el peor de los casos, puede provocar un enganche del tiristor (enganche de un solo evento, SEL). En un chip bloqueado, la fuente de alimentación se cortocircuita a tierra, la corriente puede fluir muy alto y provocar la combustión del microcircuito. Si logra apagar la alimentación y conectarla antes de la combustión, todo funcionará como de costumbre.

Quizás esto sea exactamente lo que sucedió con Phobos-Grunt: según la versión oficial, los chips de memoria importados no resistentes a la radiación ya fallaron en la segunda órbita, y esto solo es posible debido a la radiación de alto voltaje (según el total acumulado). dosis de radiación en órbita baja, un chip civil podría haber funcionado durante mucho tiempo).

Es el bloqueo lo que limita el uso de chips terrestres convencionales en el espacio con todo tipo de trucos de software para aumentar la confiabilidad.

¿Qué pasa si proteges una nave espacial con plomo?

Las partículas con una energía de 3*1020 eV a veces nos llegan junto con los rayos cósmicos galácticos, es decir. 300.000.000 TeV. En unidades comprensibles para el ser humano, esto es aproximadamente 50 J, es decir en una partícula elemental la energía es como la de una bala de pistola deportiva de pequeño calibre.

Cuando una partícula de este tipo choca, por ejemplo, con un átomo de plomo que protege contra la radiación, simplemente la hace trizas. Los fragmentos también tendrán una energía gigantesca, y también destrozarán todo lo que encuentren a su paso. En última instancia, cuanto más gruesa sea la protección contra elementos pesados, más fragmentos y radiación secundaria recibiremos. El plomo sólo puede debilitar en gran medida la radiación relativamente suave de los reactores nucleares de la Tierra.

La radiación gamma de alta energía tiene un efecto similar: también es capaz de destrozar átomos pesados ​​debido a la reacción fotonuclear.

Los procesos que tienen lugar se pueden considerar tomando como ejemplo un tubo de rayos X.

Los electrones del cátodo vuelan hacia el ánodo del metal pesado y, al chocar con él, se generan rayos X debido a la bremsstrahlung.

Cuando un electrón procedente de la radiación cósmica llegue a nuestra nave, nuestra protección radiológica se convertirá en un tubo de rayos X natural, junto a nuestros delicados microcircuitos y a los organismos vivos aún más delicados.

Debido a todos estos problemas, la protección radiológica hecha de elementos pesados, como en la Tierra, no se utiliza en el espacio. Utilizan protección compuesta principalmente de aluminio, hidrógeno (de diversos polietilenos, etc.), ya que sólo se puede descomponer en partículas subatómicas, lo cual es mucho más difícil y dicha protección genera menos radiación secundaria.

Pero en cualquier caso, no existe protección contra partículas de alta energía; además, cuanto mayor sea la protección, mayor será la radiación secundaria de las partículas de alta energía, el espesor óptimo es de aproximadamente 2-3 mm de aluminio. Lo más difícil es una combinación de protección de hidrógeno y elementos ligeramente más pesados ​​(los llamados Graded-Z), pero esto no es mucho mejor que la protección de "hidrógeno" puro. En general, la radiación cósmica se puede atenuar unas 10 veces, y eso es todo.