Космические исследования
в Лаборатории радиационной биологии

В ЛРБ ОИЯИ ведутся многоплановые работы, связанные с космической тематикой. В их числе помимо космической радиобиологии, направленной на изучение биологических эффектов действия тяжелых заряженных частиц на биологические объекты разного уровня организации, входят совместные с Италией исследования формирования сложных пребиотических соединений при облучении космическим излучением формамида в присутствии вещества метеоритов как катализатора, а также биогеохимические исследования космического вещества (бактериальная палеонтология в астроматериалах), возглавляемые академиком РАН А.Ю.Розановым. Об этом не раз подробно рассказывал на страницах газеты создатель ЛРБ и ее научный руководитель член-корреспондент РАН Е.А.Красавин.

Однако вовлеченность ЛРБ в космические исследования этим не ограничивается. Еще один аспект участия лаборатории в космических делах определяется тесным сотрудничеством специалистов ЛРБ и ЛНФ (руководители работ В.Н.Швецов и Г.Н.Тимошенко) с Институтом космических исследований (ИКИ) в области ядерной планетологии, длящимся уже более 25 лет. Ядерная планетология - молодая область науки, связанная с использованием ядерно-физических методов для изучения элементного состава поверхностей небесных тел с орбиты или грунта. Отдел ядерной планетологии был создан в ИКИ в 2014 году под руководством Игоря Григорьевича Митрофанова, впервые и предложившего этот новый термин. К зарождению нового научного направления были причастны член-корреспондент АН СССР И.С.Шкловский и академик РАН Р.З.Сагдеев.

Как вспоминает о трудных 1990-х годах предыдущий директор ИКИ академик Л.М.Зеленый, "экспериментаторы нашего института проторили ценой больших и постоянных усилий дорогу на зарубежные (европейские и американские) космические аппараты. Первым здесь был доктор физико-математических наук И.Г.Митрофанов с прибором HEND (High Energy Neutron Detector) на аппарате NASA "Mars Odyssey" (запуск в 2001 г.)". История сотрудничества отдела планетологии ИКИ и ОИЯИ началась в 1997 году в процессе разработки этого нейтронного спектрометра, который предназначался для картографирования с орбиты спектральной плотности потока альбедных нейтронов от поверхности Марса для оценки массовой доли водяного льда и химически связанной воды в приповерхностном слое грунта. В дальнейшем многие российские эксперименты были реализованы на аппаратах NASA и Европейского космического агентства на основе межправительственных соглашений Роскосмоса с этими организациями.

ЛРБ участвовала в работах по созданию, исследованию характеристик, тестированию и градуировке нейтронных детекторов и гамма-спектрометров для миссий к Луне, Марсу и Меркурию: 2001 Mars Odyssey (HEND, на снимке), LRO (LEND), Фобос-Грунт (HEND Phobos), MSL (DAN), ISS (BTN-Neutron), ExoMars Trace Gas Orbiter (FREND), ExoMars (ADRON-RM), BepiСоlombo (MGNS) и Luna-26 (LGNS-GD). Этими приборами были получены важные результаты: так, нейтронный спектрометр HEND подтвердил, что у полюсов Марса и даже в средних широтах существуют огромные запасы подповерхностного водяного льда, а с помощью прибора LEND был обнаружен водяной лед внутри кратеров на южном полюсе Луны.

Для тестирования приборов ядерной планетологии с использованием нейтронных генераторов в ЛРБ создан специальный стенд с моделью планетарного грунта. С целью снижения фона рассеянных нейтронов стенд размещен в легком ангаре, оснащенном системой блокировок и сигнализации для обеспечения радиационной безопасности. На нем, в частности, проводилась отработка прибора DAN в составе марсохода Curiosity по измерению содержания воды в грунте по трассе движения транспортного средства (на снимке ниже).

Для оценки радиационного риска космонавтов при длительных межпланетных перелетах в ЛРБ был выполнен комплекс расчетных работ. На современном уровне на основе программ транспорта излучений в веществе методом Монте-Карло были проведены детальные расчеты характеристик всех компонентов радиационного поля внутри жилого модуля космического корабля в глубоком космосе в минимуме и максимуме солнечной активности. В качестве модели Галактического космического излучения (ГКИ) использовался полуэмпирический алгоритм, основанный на экспериментальных данных спектрометра NASA CRIS на аппарате АСЕ вблизи точки Лагранжа 1 на расстоянии около 1,5 млн км от Земли. Спектры частиц ГКИ задавались в диапазоне энергий от 10 до 10⁵ МэВ/н. Своей полнотой и точностью проведенный расчет выгодно отличается от подобных расчетов NASA по их программе HZETRN на основе аналитического решения линейного уравнения Больцмана. Расчеты ЛРБ столь большого объема в пределах разумного времени оказались возможными лишь за счет использования гетерогенной платформы HybriLIT ЛИТ. Результаты расчета показали, что даже сравнительно небольшая толщина оболочки корабля (15 г/см² алюминия) заметно меняет характеристики внутреннего радиационного поля: появляются в большом количестве нестабильные частицы (нейтроны и мезоны), ядра и гамма-кванты, а общий флюенс частиц даже возрастает.

Эффективная доза является чрезмерно консервативной оценкой радиационного риска космонавтов из-за того, что не учитывает ни гендерных, ни возрастных особенностей экипажей. Далее, поражающая способность космического излучения, особенно тяжелых ядер, сильно зависит от их энергии, что влечет необходимость корректного учета зависимости фактора качества каждого конкретного вида излучения от ЛПЭ (линейная передача энергии) как функции его энергии. Все это побудило разработать в ЛРБ специальный подход к оценке радиационного риска космонавтов, представляющих узкую когорту некурящих и здоровых мужчин в возрасте 30-60 лет, а также рассчитать коэффициенты преобразования флюенс - эффективная доза для всех компонентов космической радиации в зависимости от энергии излучения.

На основе рассчитанных спектров частиц радиационного поля внутри корабля и новых коэффициентов флюенс - эффективная доза была сделана реалистичная оценка мощности эффективной дозы космонавтов в глубоком космосе в минимуме и максимуме солнечной активности. Показано, что суммарный риск космонавтов за всю марсианскую миссию в наиболее вероятном сценарии NASA Long-Stay Mission будет соответствовать регламентированному NASA 3% значению риска, то есть реальная эффективная доза космонавтов за миссию не превысит 1 Зв. Результаты работ были опубликованы в ряде ведущих зарубежных журналов.

Полученные расчетные спектры компонентов внутреннего радиационного поля в корабле позволили приступить к разработке установки для моделирования космического излучения в земных условиях в целях космической радиобиологии. Дело в том, что в космосе облучение производится одновременно всеми компонентами поля всех возможных энергий, а наземные эксперименты проводятся на монопучках ускорителей с фиксированной энергией, вследствие чего в земных условиях не удается воспроизвести адекватные условия космического облучения. До настоящего времени эта важнейшая проблема решена не была, хотя в NASA в Брукхейвене с 2016 года проводятся попытки симулировать ГКИ путем суперпозиции последовательного облучения образцов большим числом пучков протонов и альфа-частиц различных энергий.

В ЛРБ был предложен способ формирования за симулятором, облучаемым пучком ядер ⁵⁶Fe энергией 1 ГэВ/н, радиационного поля, близкого к радиационному полю внутри корабля в глубоком космосе. На данный способ оформлен патент. В симуляторе используются наборы секторальных мишеней различной толщины для производства различных фрагментов ядра-снаряда. Энергия ядра-снаряда и его атомный вес достаточны, чтобы фактически полностью смоделировать при облучении за симулятором все основные биологические эффекты в образцах от космического излучения. Симулятор формирует однородное поле фрагментов ядра-снаряда за симулятором c зарядовым распределением фрагментов и суммарным ЛПЭ-распределением, близкими к экспериментальным (измеренным приборами RAD и Liulin-МО на трассе полета Земля - Марс миссий Mars Science Laboratory (Curiosity) в 2012 г. и детектора Liulin-MO миссии ExoMars Trace Gas Orbiter, 2016 г.). Принципиальное отличие симулятора ЛРБ от симулятора НАСА - адекватность космическому одновременному облучению всеми частицами во всем спектре энергии. Симулятор предлагается разместить на специализированном тяжелоионном радиобиологическом канале ЛРБ, создаваемом на Нуклотроне в рамках инновационной программы NICA.

В 2021 году циклу работ "Расчет и моделирование поля излучения внутри космического аппарата вне магнитосферы Земли", выполненных в 2017-2021 годах Г.Н.Тимошенко и И.С.Гордеевым, была присуждена первая премия ОИЯИ по разделу "Научно-технические прикладные работы".

Геннадий ТИМОШЕНКО,
помощник директора ЛРБ по радиационной физике