Радиация вокруг нас
Открытие радиации изменило мир и ускорило прогресс. «Приручив» цепную ядерную реакцию, люди научились получать из нее энергию. Сегодня радиационные технологии используют в медицине, науке, промышленности, криминалистике, археологии и даже в сельском хозяйстве. Но везде, где люди сталкиваются с радиоактивным излучением, им необходимо защищаться от его воздействия.
Вообще, радиацией принято называть любое излучение. Но для человека опасность представляет ионизирующее ― поток частиц, летящий со скоростями близкими к скорости света, который, проходя через вещество, вызывает ионизацию его атомов. То есть выбивает один или несколько электронов, меняя заряд атома на положительный. При этом молекула, в состав которой входит атом, начинает вступать в агрессивное взаимодействие с другими молекулами вокруг. Например, в организме человека вода под воздействием радиации распадется на два радикала: H и OH. Они в свою очередь вступают в реакции с молекулами ДНК, белками, жирами и другими клетками, в результате чего они разрушаются и погибают.
Почему в космосе опаснее
Наряду с невесомостью космическая радиация является одним из основных негативных факторов в космосе. Она имеет три источника: галактические космические лучи, гамма-излучение от солнца и так называемый пояс Ван-Аллена. Этот пояс представляет собой скопление протонов и электронов, захваченных из космоса магнитным полем Земли. Галактические космические лучи происходят из-за пределов Солнечной системы от разных источников в нашей галактике, в том числе от взрывов сверхновых и образования нейтронных звезд. Они состоят из высокоэнергетических потоков ускоренных ядер как тяжелых, так и легких элементов. Мощность этих потоков настолько велика, что для полного их поглощения потребовался бы свинцовый экран толщиной около 15 м. Солнечные космические лучи летят к нам от Солнца в виде рентгеновских лучей, гамма-лучей, потоков протонов и электронов.
Радиационный щит для космонавтов
Однако, если на Земле мы находимся под защитой кокона из атмосферы и магнитного поля планеты, то космонавты подвержены ей гораздо сильнее. Существует длинный список мер по обеспечению безопасной жизни космонавтов. Поддержание давления воздуха, переработка и удаление углекислого газа, пополнение запаса кислорода и пищи, космический туалет – для всего этого создается отдельная сложнейшая система. Также и радиационная защита строится из комплекса мер. На МКС, например, защита космонавтов в первую очередь обеспечивается за счет экранирования модулей, а также применения специальных сплавов алюминия и полиэтиленовых материалов. Помимо этого, оборудование, запасы кислорода, баки с топливом и водой располагаются вокруг отсеков, создавая дополнительную защиту для поглощения внешнего излучения.
Наиболее уязвимыми на МКС являются каюты космонавтов, где от открытого космоса человека по сути отделяет металл толщиной в несколько миллиметров. При резком повышении радиационного фона космонавты могут предпринять специальные меры. Например, при прохождении над магнитной аномалией в Южной Атлантике или вспышках на Солнце. Для этого на МКС есть защищенные помещения, где космонавты укрываются в случае повышенной угрозы. Достаточно надежным радиационным убежищем в этом плане является спускаемый аппарат, который доставляет людей на МКС и возвращает на Землю (Например, корабль Союз). Он имеет значительную толщину тепловой защиты и «слой» оборудования.
Но для полетов за пределы земной атмосферы этого недостаточно, потому что излучение намного опасней. Поэтому, так как человечество намеревается покорить Марс и Луну в ближайшие десятилетия, перед учеными стоит задача защитить будущих колонистов от радиации.
Основной способ защиты от радиации — это экранирование. Однако каждый тип радиации может быть остановлен различными материалами. Альфа-радиация состоит из тяжелых, положительно заряженных частиц, испускаемых атомами — таких элементов, как уран и радий. Альфа-излучение может быть полностью остановлено листом бумаги, резиновым костюмом, респиратором или даже слоем нашей кожи. Бета-излучение состоит из электронов и, обладая большей проникающей способностью, может проходить через 1-2 сантиметра воды. От такого излучения защитит лист алюминия толщиной в несколько миллиметров или оргстекло. Гамма-лучи могут быть остановлены только тяжелыми металлами, такими как свинец, вольфрам, чугун, сталь. Нейтронное излучение сможет поглотить толстый слой бетона, воды или парафина, полиэтилена и других полимеров.
В космосе для экранирования широко используются нефтехимические материалы, которые защищают от нейтронного излучения, так как содержат легкие атомы: углерод и водород. Полиэтилен, например, защищает от космического излучения лучше, чем алюминий, потому что в нем много водорода, а именно водород защищает от протонов, из которых на 85–99% и состоит галактическое и солнечное излучение. Российским ученым удалось совместить сверхвысокомолекулярный полиэтилен с изотопами бора-10, что делает его более устойчивым к воздействию быстрых нейтронов. Таким материалом можно будет покрывать скафандры космонавтов, а также использовать его в обшивке кораблей.
Помимо этого ведутся разработки перспективных материалов для изготовления самих космических кораблей. Сегодня в космической отрасли широко применяются различные композиционные материалы, состоящие из нескольких веществ, соединенных между собой, что придает им новые свойства. Их можно использовать в элементах конструкции кораблей в качестве замены металлам. Из углепластика, например, уже производят детали ракет. Углепластик ― это полимеры, армированные углеродным волокном с добавлением разных добавок в зависимости от целей использования. В основном это эпоксидные и фенольные смолы, которые наделяют изделия высокой прочностью, стойкостью к нагрузкам, стойкостью к воздействию высоких температур, электромагнитного излучения и радиации. При этом они существенно уменьшают вес летательных аппаратов, что в свою очередь снижает эксплуатационные затраты и расход топлива.
Иллюминаторы космических кораблей изготавливают из многослойного кварцевого стекла с покрытием из окиси индия или олова для улучшения светопропускания. Любые стекла при воздействии радиации и других излучений темнеют. Поэтому в изготовлении стекол для иллюминаторов также применяют добавки, которые позволяют нейтрализовать центры потемнения химическим образом.
Прививка от радиации
Одним из направлений исследований в борьбе с радиацией является повышение радиорезистентности самих космонавтов. Например, за счет изменения их ДНК. Все люди по-разному подвержены раку и другим заболеваниям, связанным с облучением. Ученые ищут способ выделить эти отличия и с помощью современных методов генной инженерии «привить» их космонавтам.
Есть несколько вариантов, какие гены нужно внести, чтобы повысить радиорезистентность. Во-первых, гены антиоксидантов помогут защитить клетки от активных форм кислорода, появляющихся в результате облучения. Несколько экспериментальных групп уже успешно попробовало снизить чувствительность к радиации с помощью таких трансгенов. Однако от прямого воздействия облучения этот способ не спасет, только от опосредованного.
Более перспективный метод ― это использование радиозащитных трансгенов. Многие организмы (например, тихоходки) обладают высокой степенью радиорезистентности, и если выяснить, какие гены и молекулярные механизмы за этим стоят, их можно перевести на людей с помощью генной терапии. Чтобы убить 50% тихоходок, нужна доза облучения в 1000 раз больше, чем смертельная для человека. Недавно был обнаружен белок, который предположительно является одним из факторов такой выносливости – так называемый супрессор повреждений Dsup. В эксперименте с клеточной линией человека оказалось, что введение гена Dsup уменьшает повреждения на 40%. Это делает ген перспективным кандидатом в защитники человека от радиации.
Как повысить радиорезистентность уже сейчас
Однако редактирование ДНК является довольно спорным в этическом плане и непредсказуемым методом. Изменение одного гена может привести к цепочке мутаций, последствия которых предугадать крайне сложно. К тому же, такие эксперименты могут занять долгие годы, а то и десятилетия.
Повысить радиорезистентность можно и более щадящими способами. Например, за счет использования химических препаратов или пищевых добавок, которые помогают снизить риск появления мутаций. Существует целый ряд химических соединений природного и синтетического происхождения, которые повышают радиорезистентность клеток или снижают последствия накопления свободных радикалов. Кроме того, в дальних космических перелетах космонавтам могут помочь геропротекторы – препараты, снижающие скорость старения. Они могут быть полезны, так как повреждения ДНК, происходящие во время процесса естественного старения, схожи с теми, которые вызывает радиация.
Сегодня многие ученые скептически относятся к тому, что кому-либо из людей удастся долететь живым хотя бы до Марса. Однако при современном уровне развития технологий, если будут предприняты все возможные меры защиты, можно надеяться, что такой полет все же станет осуществим.
