Для будущих пилотируемых экспедиций на Марс необходимо заранее подобрать место базы, в котором можно обеспечить достаточную защиту от космического излучения. Атмосфера Марса по сравнению с земной практически не защищает от радиации, и на разных участках её толщина существенно различается. Астрофизики промоделировали взаимодействие космического излучения с марсианской атмосферой и породами на поверхности и выяснили, какие области планеты будут более благоприятными для станции и какой минимальный слой реголита необходим для защиты марсианских жителей.
В следующее десятилетие и NASA, и космическое агентство Китая (CNSA) планируют пилотируемые экспедиции к Марсу. Если эти планы вообще удастся реализовать, то космические корабли с экипажем можно будет посылать только в определённое время: в 2033, 2035, 2037 и т.д. годах — с интервалом 26 месяцев между последовательными «окнами запуска», когда Марс и Земля находятся в нужной конфигурации на орбитах друг по отношению к другу. [Про окна запуска для путешествий к Марсу уже написано во многих статьях; например, подробнее можно прочитать во вставке к этой заметке про арабский марсианский зонд «Надежда»]. Долгосрочная цель таких программ — обустроить станцию на Марсе, которая станет хабом для приёма следующих экипажей. Сложно пока судить, насколько эти планы удастся реализовать, но, скажем, Китай уже заявил о том, что он намерен строить на Марсе постоянную базу.
Посылка экипажа в полёт на Марс длительностью от шести до девяти месяцев в один конец требует решения слишком большого количества задач — настолько, что эту идею многие считают принципиально нереализуемой на сегодняшнем уровне технологии. Одна из таких задач — обеспечение защиты от радиации и космического излучения во время перелёта и на марсианской базе. На Земле приемлемую для нашего существования защиту обеспечивает плотная атмосфера и магнитное поле. На Марсе магнитное поле отсутствует, а атмосфера достаточно условна — атмосферное давление вблизи поверхности составляет меньше процента от земного. Тем не менее рельеф Марса имеет гораздо большие перепады высот по сравнению с Землёй. Гора Олимпус, самый крупный вулкан в Солнечной системе (Olympus Mons), возвышается на 30 километров — в три раза выше самой высокой точки на Земле. На вершине Олимпуса атмосферное давление составляет всего 80 Па. В то же время дно каньонов Valles Marineris, а также самая глубокая точка Марса — огромный ударный кратер Равнина Эллада (Hellas Planitia) — лежат настолько глубоко, что атмосферное давление в этих местах предполагается равным 1,2 кПа, или в два раза выше среднего давления на поверхности 0,6 кПа (напомним, что «земное» атмосферное давление вблизи поверхности, то есть одна атмосфера — это 100 кПа). Поэтому разные точки Марса неэквивалентны даже с точки зрения какой-никакой, но защиты со стороны марсианской атмосферы.
Планетологи из Научно-технического университета Китая (USTC) промоделировали влияние атмосферы на разных участках Марса на уровень излучения на поверхности, а также исследовали, насколько хорошо излучение поглощается на различных глубинах под слоем реголита. Для этого использовали известный программный пакет GEANT4 (Geometry And Tracking) разработки CERN, который используется с начала 2000-х годов для моделирования взаимодействия вещества с разными видами излучения. Различные модули пакета давно используют в ядерной энергетике для определения устойчивости защитных материалов реакторов к воздействию излучения. Платформа использует вероятностное моделирование (методы Монте-Карло) и включает множество модулей, разработанных под разные узкие задачи. В частности, использовался модуль AtRIS (Atmospheric Radiation Interaction Simulator) — специальная программная надстройка GEANT4, недавно разработанная для моделирования прохождения излучения сквозь атмосферы планет с учётом образования каскадов вторичных частиц. Для калибровки подобных расчётов у планетологов в распоряжении есть данные марсохода Curiosity, который с 2012 года работает в кратере Гейл и замеряет как атмосферное давление (толщину атмосферы), так и уровень радиации возле поверхности. На борту марсохода для этого есть приборы соответственно REMS (Rover Environmental Monitoring Station) и RAD (Radiation Assessment Detector).
Спектр частиц, влетающих из космического пространства в атмосферу Марса, можно получить исходя из имеющихся моделей распределения вещества в межпланетном пространстве. Так, кроме собственно ионизирующего гамма-излучения, космические лучи включают заряженные частицы различного вида. Значительную часть, или 87%, из них составляют протоны, затем идут ионы гелия (их в составе космических лучей 12%), и более тяжёлые ионы в следовых концентрациях — например, углерод, кислород, железо.
Чем выше атмосферное давление на уровне поверхности планеты, тем эффективнее атмосфера поглощает космическое излучение. Но только слоя атмосферы для обеспечения даже минимальной защиты ещё недостаточно — необходимо использовать дополнительную защиту: или в виде искусственных укрытий, или строить помещения на глубине под слоем реголита. Однако такая защита может оказаться неудачным решением: покрытие из твёрдого материала задержит поток космических лучей — высокоэнергетичных заряженных частиц, но вместо этого породит каскады вторичных частиц, среди которых — поток нейтронов, который, наоборот, существенно увеличит дозу облучения астронавтов на такой базе. Каскады, или «ливни» вторичного излучения — характерный побочный продукт действия космической радиации. По ним на детекторах на Земле как раз и обнаруживают первичные высокоэнергетичные частицы, прилетевшие из космоса, но в данном случае для марсианских обитателей это станет дополнительным неблагоприятным фактором облучения. Подробнее про детекторы космического излучения и ливни вторичных частиц в атмосфере мы уже писали.
Так, оказывается, что максимум потока нейтронов и, соответственно, пик эффективной дозы облучения приходится на глубину около 30 см под поверхностью — то есть если обустраивать на Марсе землянку, необходимо будет сразу закапываться глубже (или, парадоксально — не закапываться вообще). Для моделирования необходимой толщины защитного слоя можно задаться физиологически оправданным пороговым значением эквивалентной дозы и рассчитать необходимую толщину слоя реголита в различных точках Марса. Условная пороговая доза 100 мЗв (миллизиверт) в год означает, что толщина защитного слоя реголита должна быть от 1 до 1,6 м. Для сравнения: эквивалентная максимальная годовая доза для населения в законодательстве разных стран принимается около 1 мЗв; 50 мЗв в год — это предельная доза для работников атомных электростанций (конкретно это значение установлено законодательством Канады, но в других странах эти параметры похожи).
Итак, наилучшие места для марсианской базы — в районах с понижениями рельефа и на глубине около полутора метров под поверхностью. Лучше всего для подходит северное полушарие планеты, как раз представляющее глобальную низину. Также неплохой вариант — система каньонов Valles Marineris на экваторе. Кроме дополнительной защиты за счёт более высокого атмосферного давления, районы интересны залежами водяного льда под поверхностью. Помимо того, что это неглубоко залегающий ценный ресурс, повышенное содержание водорода обеспечит дополнительную защиту от нейтронного излучения (вода — хороший замедлитель нейтронов, это её качество используется и в ядерных реакторах).
Если марсианские экспедиции действительно осуществятся согласно планам, первые астронавты должны прибыть на Марс примерно через десять лет. Перелёт займёт от шести до девяти месяцев (если к тому времени кардинально не усовершенствуются ракетные технологии), а длительность «вахты» на Марсе составит до 18 месяцев, то есть до наступления следующего окна запуска. Итого в условиях опасного радиационного фона участникам экспедиции придётся провести до трёх лет. Пока неизвестно, насколько реально такое предприятие в принципе, но в любом случае важно не прогадать с выбором места жительства на полтора года.