В течение четвертого сеанса пусконаладочных работ на ускорительном комплексе NICA были проведены первые прикладные исследования на выведенных из Нуклотрона пучках ионов ксенона высоких энергий. В число первых институтов, которые смогли воспользоваться инфраструктурой комплекса для прикладных исследований ARIADNA (Applied Research Infrastructure for Advance Development at NICA fAcility), вошел давний партнер ОИЯИ – Институт медико-биологических проблем Российской академии наук, являющийся головной организацией Российской Федерации по обеспечению безопасности пилотируемых космических полетов. Сотрудники ИМБП РАН исследовали на радиационную стойкость два новых материала для защиты кают российских космонавтов на Международной космической станции (МКС). Также в сеансе были облучены семена растений, имеющих практическую значимость с точки зрения культивирования в условиях космического полета.

О начале работ на комплексе NICA, связанных с обеспечением безопасности пилотируемых космических полетов, рассказали в своем интервью Пресс-центру ОИЯИ заведующий отделом радиационной безопасности пилотируемых космических полетов ИМБП РАН Вячеслав Шуршаков и заместитель начальника отделения научно-методических исследований и инноваций по научной работе ЛФВЭ ОИЯИ Олег Белов.

«Мы с большим нетерпением ждали начала этого сеанса, когда на комплексе NICA появятся частицы с «нашими» энергиями: до нескольких ГэВ на нуклон. Именно они позволяют имитировать космическую радиацию, получая потоки тех самых частиц: ядра углерода, азота, кислорода, железа, ксенона и других. Для нас NICA – это некий симулятор космического излучения, которое воздействует в том числе и на экипажи космических аппаратов», — прокомментировал Вячеслав Шуршаков, заведующий отделом радиационной безопасности пилотируемых космических полетов ИМБП РАН. Ускорители тяжелых заряженных частиц — единственный способ в приближенном виде воссоздать спектры космического излучения на Земле. В этом смысле комплекс NICA обладает уникальным набором физических параметров.

Облучение композитных материалов

На различных высотах орбиты Земли радиационная обстановка различная. Например, уровень радиации на Международной космической станции в 250 раз больше наземного фона. Даже в спокойных условиях, без выхода в открытый космос, в дни, когда нет вспышек на Солнце, космонавты подвергаются высоким уровням воздействия радиации.

Как выяснил отдел радиационной безопасности пилотируемых космических полетов ИМБП РАН, в последние годы на МКС было выявлено, что каюты космонавтов, где они проводят большую часть времени, слабо по сравнению с остальными помещениями защищены от радиации. Каюты спроектированы так, что выступают за основной объем станции, в результате чего получаемая в них доза оказывается на 20 — 30% больше, чем в других местах станции. Чтобы исправить эту ситуацию, около десяти лет назад было найдено оригинальное решение.

Ученые из Белгородского государственного технологического университета имени В. Г. Шухова предложили собственную разработку – композитный материал № 1. По инициативе специалистов Научно-исследовательского испытательного центра подготовки космонавтов имени Ю. А. Гагарина разработанный в Белгороде материал был доставлен на МКС. Сейчас, начиная с февраля 2022 года, в левой каюте российского сегмента проходит эксперимент «Композит защитный». От космической радиации хорошо защищают материалы из химических элементов с маленьким атомным номером, эффективно замедляющие нейтроны. Материал представляет собой полимерные матрицы из фторопласта с модифицированным наполнителем – оксидом висмута и нанодисперсным наполнителем – карбидом вольфрама; по степени пластичности напоминает глину. Композит изготовлен по инновационной технологии спекания с этапами технологического процесса охлаждения и в процессе изготовления приобрел механическую и радиационную стойкость. Однако в нем есть вкрапления вольфрама, титана и пр. – тяжелых элементов, которые могут генерировать вторичные нейтроны.

Поэтому согласно рекомендациям специалистов по радиационной безопасности ИМБП РАН белгородские ученые разработали композит № 2. Этот материал состоит из политетрафторэтилена, в который, помимо оксида висмута и карбида вольфрама, добавлены также гидрид титана и карбид бора. «Полиэтилен содержит много ядер водорода, а гидрид титана удерживает водород вокруг ядра титана в связанном состоянии. Это уникальные материалы, которых нет за рубежом», — подчеркнул Вячеслав Шуршаков.

Композитные материалы № 1 (слева) и № 2 (справа), тестируемые с использованием пучков тяжелых ионов комплекса NICA в целях последующего применения в качестве защиты экипажей кораблей от космической радиации

Материал № 2 имеет толщину всего 3 – 4 см, а значит, не так сильно уменьшит объем и без того тесных кают. В перспективе его планируется использовать на Российской орбитальной станции (РОСС), которая в будущем должна заменить россиянам МКС, и на пилотируемых транспортных кораблях нового поколения. «Важно изучить свойства защитного материала на Земле, провести расчеты. И сейчас мы находимся в начале пути, — продолжил ученый. — В других космических агентствах: европейском, американском – также идут активнейшие исследования по поиску оптимального материала для радиационной защиты в космосе. Это кропотливый процесс, и есть общее мнение, что волшебного материала нет – у каждого из них свои достоинства и недостатки». Хотя нельзя исключать возможность, что появятся и другие модификации инновационных материалов.

Итоговая конфигурация РОСС после 2030 года (РКК «Энергия», источник https://nplus1.ru/material/2021/04/26/ross)

Эксперимент по облучению композитов № 1 и № 2 на пучках тяжелых ядер проводился на NICA в течение нескольких суток. По итогам эксперимента готовится целая серия исследований и тестов. Сейчас в ЛФВЭ ОИЯИ сотрудники отделения научно-методических исследований и инноваций проводят активационный анализ облученных образцов, чтобы определить степень активации элементов в составе материала под воздействием пучков тяжелых ядер. Также будет проведена оценка структурных изменений в этих двух материалах.

Прототип перспективного пилотируемого транспортного корабля «Орел», разрабатываемого в РКК «Энергия» им. С. П. Королева

Облучение семян

Что касается получивших свою дозу ионизирующего излучения на NICA семян, ученые ИМБП РАН оценят их прорастание после облучения, а также определят всхожесть, размер листьев и иные параметры развития. При помощи методов микроскопии будут изучены хромосомные аберрации.

«И на Марсе будут яблони цвести». Мы запускаем семена в космос, чтобы оценить пригодность их использования в следующих миссиях. Семена более устойчивы к радиации, чем люди, поскольку более просто устроены, тем не менее, изменения в них происходят. На ядрах ксенона мы получим уникальный результат», — рассказал Вячеслав Шуршаков.

Способность семян прорастать в условиях космоса, с одной стороны, – это прагматический аспект – космонавты во время длительных полетов смогут разнообразить свой рацион. Но вид оранжереи — это также и положительное психологическое воздействие – биологические объекты позволяют космонавтам на орбите скрашивать однообразие быта и одиночество.

Схема облучения контейнеров с семенами растений на пучке ионов ¹²⁴Xe⁵⁴⁺ комплекса NICA с энергией 3,8 ГэВ/нуклон

«Семенами занимаются ведущие космические агентства и ассоциированные с ними организации, это классическое направление исследований в области пилотируемой космонавтики и вопросов обеспечения жизнедеятельности в космосе. Такие проекты постоянно находятся в центре внимания космических агентств и организаций, выполняющих их заказ», — добавил Олег Белов.

Помимо уже реализованных исследований, ИМБП РАН имеет большие планы по развитию сотрудничества с ОИЯИ. В подтверждение этих планов 11 января 2023 года был подписан меморандум о взаимопонимании между коллаборацией ARIADNA и Институтом медико-биологических проблем РАН.

Задел на будущее

В России в 2027 – 2028 годах планируется к запуску собственная орбитальная космическая станция РОСС. Станция будет создаваться на более высокоширотной орбите, чем МКС, и с нее можно будет наблюдать всю территорию России, включая Северный морской путь. Станций на такой высоте не было еще ни у одного космического агентства. Однако на такой орбите наблюдается повышенный уровень радиации. Из-за этого предлагается сделать ее посещаемой, а не постоянно обитаемой. Вячеслав Шуршаков рассказал, что в ИМБП сейчас продумывается особая локальная защита, носимая на теле человека. «Галактическое излучение содержит тяжелые ядра, прохождение которых, например, через ткани мозга может со временем негативно сказаться на когнитивных функциях, что недопустимо для чрезвычайно ответственной работы космонавтов в условиях космической миссии. Мы планируем создавать специальную защиту для головы, а также жилеты. Думаем над материалом и его толщиной, над тем, в какое время своего распорядка дня космонавт должен носить защиту, например, во время сна», — сказал ученый. Элементы такого рода амуниции тоже в будущем должны будут пройти испытания на пучках комплекса NICA. Помимо локальных защит, на станции РОСС будут впервые использоваться новые перспективные дозиметры нейтронов высоких энергий для космических целей, разработкой которых сейчас заняты ученые ИМБП РАН. Их тестирование также планируется провести в ОИЯИ. «Сейчас на борту МКС находятся штатные дозиметры, которые помогают нам контролировать радиационную обстановку, но дозу от нейтронов они не измеряют. У нейтронов очень высокая биологическая эффективность, и, если мы переходим на высокоширотную станцию, планируем полеты к Луне и далее, такие приборы нам нужны», — пояснил Вячеслав Шуршаков.

Использование локальной защиты в условиях орбитального полета: прототип итальянского водного жилета PERSEO [G. Baiocco, M. Giraudo, L. Bocchini, S. Barbieri, I. Locantore, E. Brussolo, D. Giacosa, L. Meucci, S. Steffenino, A. Ballario, B. Barresi, R. Barresi, M. Benassai, L. Ravagnolo, L. Narici, A. Rizzo, E. Carrubba, F. Carubia, G. Neri, M. Crisconio, S. Piccirillo, G. Valentini, S. Barbero, M. Giacci, C. Lobascio, A. Ottolenghi. A water-filled garment to protect astronauts during interplanetary missions tested on board the ISS, Life Sciences in Space Research, Volume 18, 2018, Pages 1-11, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214552417301335#fig0004]

Возможности комплекса NICA в перспективе позволят получить так называемый «комбинированный» пучок сразу из нескольких типов ядер, таких как азот, углерод и железо в определенных пропорциях, как это сделано, например, в Брукхейвенской национальной лаборатории в США. Это позволит ученым реализовать более реалистичный подход к моделированию потоков космического излучения для проверки детекторов и материалов для космических целей, а также для изучения биологического действия космической радиации.

ИМБП РАН – давний партнер ОИЯИ в области изучения биологического действия космической радиации в наземных экспериментах с использованием ускорителей заряженных частиц. Первые связи между ОИЯИ и этим научным центром зародились буквально в первое десятилетие с момента основания обеих организаций. В начале 60-х годов на синхроциклотроне ЛЯП ОИЯИ проводились исследования, которые уже тогда имели своей задачей моделирование радиационных условий на орбите Земли. В 70-е годы на территории ОИЯИ построен исследовательский корпус и открыта лаборатория ИМБП РАН для изучения радиобиологических эффектов воздействия тяжелых ионов. В текущем году ИМБП РАН отмечает свое 60-летие. Этот год ознаменовывает начало нового этапа сотрудничества двух институтов в рамках коллаборации ARIADNA при комплексе NICA по целому ряду совместных работ.