На челноке «Орион», совершившем первый экспериментальный полёт в рамках программы «Артемида», вокруг Луны облетели радиационные фантомы — манекены человеческого тела, оснащённые множеством датчиков излучения и космических частиц. Информация с этих датчиков поможет уточнить наши знания о действии излучения на организм и подготовиться к будущим пилотируемым полётам за пределы ближних орбит вокруг Земли.
Одна из самых серьёзных опасностей для астронавтов в дальних космических путешествиях — космическое излучение. Кроме этого, облучение во время полёта — фактор, который сложнее всего учесть. Данные, собранные во время радиационного эксперимента MARE, помогут обеспечить безопасность во время будущих перелётов.
MARE — продолжение серии экспериментов, которые проводились с 2004 по 2009 года на МКС в рамках проекта MATROSHKA. Название нового проекта — это акроним (MATROSHKA AstroRad Radiation Experiment). Информацию о дозах излучения из космоса также постоянно собирают на космических кораблях, вращающихся на низких орбитах. В этот раз два человеческих фантома (манекены, похожие на используемые в краш-тестах автомобилей) слетали в космос на корабле «Орион». Благодаря первому полёту проекта «Артемида» фантомы с радиационными датчиками впервые вышли за пределы защитной зоны не только земной атмосферы, но и магнитосферы.
Космическое излучение, которое неизбежно встретится астронавтам во время длинных перелётов, имеет разнообразную природу: частицы и электромагнитное излучение имеют очень широкий спектр энергий и множество источников происхождения. Галактическая компонента излучения происходит из областей глубокого космоса. В ней теоретически содержатся все встречающиеся в природе частицы и атомные ядра, а верхний диапазон энергии частиц значительно превышает значения, которые могут встретиться в земных условиях.
Другой источник излучения, на этот раз рождающегося в нашей планетной системе — вспышки Солнца. Они происходят нечасто, но представляют серьёзную угрозу здоровью и даже жизни астронавтов. Кроме того, частицы солнечного ветра постоянно накапливаются вокруг Земли в двух областях магнитосферы, которые называют поясами Ван Аллена. Эти пояса находятся на высоте всего несколько тысяч километров, то есть совсем близко к Земле по сравнению с расстояниями лунных перелётов, но любой пилотируемый корабль, направляющийся к другим планетам, должен будет пересечь эти области хотя бы дважды.
Основной целью NASA в проекте «Артемида I» было испытание челнока «Орион» в процессе его облёта вокруг Луны. Свободное место на нём ввиду отсутствия пассажиров решили использовать для проверки знаний о действии космического излучения на организм. В пассажирском отсеке установили два фантома — манекены с названиями HELGA и ZOHAR массой по 39 килограмм. Фантом ZOHAR при этом одели в защитный костюм AstroRad, который разработала израильская компания StemRad.
Чтобы определить, какие дозы излучения получают различные системы организма человека, на фантомах через каждые три сантиметра разместили множество небольших пассивных литий-фторидных датчиков излучения. Кроме того, в областях на манекенах, представляющих критичные органы человека, разместили активные кремниевые датчики. Всего на обоих манекенах установили 34 активных датчика и более десяти тысяч пассивных. Детекторов, предоставленных польским Институтом ядерных исследований, на фантомах около пятисот, и они представляют собой тонкие термолюминисцентные пластинки диаметром несколько миллиметров.
Основной материал для изготовления детекторов, который использовали в Институте ядерной физики Польской академии наук в Кракове — фторид лития, обогащённый специальным набором примесей. Эти примеси создают дополнительные метаустойчивые уровни энергии в материале. Прохождение частиц космического излучения через такой материал вызывает ионизацию атомов. Некоторые электроны, которые выбиваются при этом из атомов, попадают на метастабильные уровни. На них они могу оставаться длительное время — например, в течение нескольких месяцев. Чем больше космических частиц проходит через детектор, тем больше количество захваченных таким образом электронов.
Дозу радиации, которую получил фторид-литиевый детектор, можно посчитать благодаря явлению термолюминисценции. В лабораторных условиях детекторы постепенно нагревают до нескольких сот градусов. При подводе энергии электроны начинают высвобождаться из метастабильных энергетических ловушек. Некоторые из них быстро рекомбинируют, и при этом выделяются фотоны: материал начинает светиться. Количество света пропорционально дозе, которую получил детектор. Поэтому такие детекторы допускают простую процедуру считывания данных. Но ловушки в материале различаются по свойствам и выбрасывают электроны при разных температурах, и калибровка такого датчика, то есть пересчёт светимости из-за термолюминесценции в накопленную дозу излучения — довольно нетривиальный.
Измерения в рамках эксперимента MARE предназначены прежде всего для проверки существующей базы знаний о действии космического излучения на организм человека. Такие исследования имеют приоритетную цель — сведение к минимуму риска для астронавтов. Вскоре после возвращения «Ориона» на Землю детекторы с фантомов ZOHAR и HELGA вернутся в Институт ядерных исследований для считывания данных, Предварительные результаты по дозам космического излучения в эксперименте MARE будут представлены в первые месяцы следующего года.
