IV Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

ЗАЩИТА ОТ РАДИАЦИОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ЛУНЕ
Рожков А.А.
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Глава 1. Историческая справка

Немного об электромагнитном поле. Электромагнитное поле-это фундаментальное физическое поле, взаимодействующее с электрически заряженными телами, а также с телами, имеющими собственные дипольные и мультипольные электрические и магнитные моменты. Явление электромагнитной индукции было открыто Фарадеем в 1831. Из «Дневников» Фарадея известно, что это явление он наблюдал еще в 1822 году во время опытов с двумя проводящими контурами, надетыми на сердечник из мягкого железа. Первый контур был подключен к источнику тока, а второй — к гальванометру, который зафиксировал возникновение кратковременных токов при включении или отключении тока в первом контуре. Позже выяснилось, что подобные явления наблюдали и другие ученые, но, как и поначалу Фарадей, сочли их погрешностью эксперимента. В том же году в Англии родился Джеймс Максвелл, ставший впоследствии учёным и сделавший важнейшее научное открытие, которое позволило глубже понять сущность явления электромагнитной индукции.

Джеймс Максвелл (1831-1879) Английский физик. Теоретически предсказал существование электромагнитных волн, определил, что в вакууме они должныраспространяться со скоростью света. Создал теорию электромагнитного поля.

Напомним, что согласно явлению электромагнитной индукции при изменении магнитного потока, пронизывающего контур замкнутого проводника, в этом проводнике возникает индукционный ток. Но ток может возникнуть только при наличии электрического поля.

Предположение о возникновении электрического поля в результате изменения магнитного сразу вызвало у учёных ряд вопросов. Например: отличается ли оно от поля, созданного неподвижными электрическими зарядами?

Возникает ли это поле только в проводнике или существует и в пространстве вокруг него? Играет какую-либо роль в возникновении электрического поля замкнутый проводник, по которому протекает индукционный ток, или оно существует в пространстве независимо от наличия проводника? Ответы на эти и другие вопросы были получены в 1865 г., когда Максвелл создал теорию электромагнитного поля. Он теоретически доказал, что всякое изменение со временем магнитного поля приводит к возникновению переменного электрического поля, а всякое изменение со временем электрического поля порождает переменное магнитное поле.

Эти порождающие друг друга переменные электрическое и магнитное поля образуют единое электромагнитов поле.

Источником электромагнитного поля служат ускоренно движущиеся электрические заряды.

Если электрические заряды движутся с ускорением, например колеблются, то создаваемое ими электрическое поле периодически меняется. Переменное электрическое поле создаёт в пространстве переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, порождает переменное электрическое и т. д.

Переменное электрическое поле называется вихревым, поскольку его силовые линии замкнуты подобно линиям индукции магнитного поля. Это отличает его от поля электростатического (т. е. постоянного, не меняющегося во времени), которое существует вокруг неподвижных заряженных тел. Силовые линии электростатического поля начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных.

Открытие электромагнитного поля позволило более детально описать механизм возникновения индукционного тока. Во всех опытах по получению индукционного тока тем или иным образом изменялся магнитный поток, пронизывающий контур замкнутого проводника. При этом, согласно теории Максвелла, возникало вихревое электрическое поле, под действием которого свободные заряды, всегда имеющиеся в проводнике, приходили в направленное движение. В данном случае проводник, замкнутый на гальванометр, играл лишь роль индикатора, обнаруживающего возникшее в данной области пространства электрическое поле. Электрическое поле существует независимо от наличия проводника.

Созданная Максвеллом теория, позволившая предсказать существование электромагнитного поля за 22 года до того, как оно было обнаружено экспериментально, считается величайшим из научных открытий, роль которого в развитии науки и техники трудно переоценить.

Глава 2. Радиация и ее влияние на человека

Результаты исследования, проведенного сотрудниками университета Софии Антиполис в Ницце, показывают, что космическое излучение сыграло важнейшую роль в зарождении биологической жизни на Земле. Давно известно, что аминокислоты способны существовать в двух формах – левосторонней и правосторонней. Однако на Земле в основе всех биологических организмов, развившихся естественным образом, находятся только левосторонние аминокислоты. По мнению сотрудников университета, причину следует искать в космосе. Так называемое циркулярно-поляризованное космическое излучение разрушило правосторонние аминокислоты. Циркулярно-поляризованный свет – это форма излучения, поляризуемая космическими электромагнитными полями. Такое излучение образуется, когда частицы межзвездной пыли выстраиваются вдоль линий магнитных полей, пронизывающих всё окружающее пространство. На циркулярно-поляризованный свет приходится 17% всего космического излучения в любой точке космоса. В зависимости от стороны поляризации такой свет избирательно расщепляет один из типов аминокислот, что подтверждается экспериментом и результатами исследования двух метеоритов.

Космическое излучение является одним из источников ионизирующего излучения на Земле.

Природный радиационный фон за счет космического излучения на уровне моря составляет 0,32 мЗв в год (3,4 мкР в час). Космическое излучение составляет лишь 1/6 часть годовой эффективной эквивалентной дозы, получаемой населением. Уровни радиационного излучения неодинаковы для различных областей. Так Северный и Южный полюсы более, чем экваториальная зона, подвержены воздействию космических лучей, из-за наличия у Земли магнитного поля, отклоняющего заряженные частицы. Кроме того, чем выше от поверхности земли, тем интенсивнее космическое излучение. Так, проживая в горных районах и постоянно пользуясь воздушным транспортом, мы подвергаемся дополнительному риску облучения. Люди, живущие выше 2000 м над уровнем моря, получают из-за космических лучей эффективную эквивалентную дозу в несколько раз больше, чем те, кто живет на уровне моря. При подъеме с высоты 4000 м (максимальная высота проживания людей) до 12000 м (максимальная высота полета пассажирского транспорта) уровень облучения возрастает в 25 раз. А за 7,5 часа полета на обычном турбовинтовом самолете полученная доза облучения составляет примерно 50 мкЗв. Всего за счет использования воздушного транспорта население Земли получает в год дозу облучения около 10000 чел-Зв, что составляет на душу населения в мире в среднем около 1 мкЗв в год, а в Северной Америке примерно 10 мкЗв.

Ионизирующее излучение отрицательно воздействует на здоровье человека, оно нарушает жизнедеятельность живых организмов:

· обладая большой проникающей способностью, разрушает наиболее интенсивно делящиеся клетки организма: костного мозга, пищеварительного тракта и т. д.

· вызывает изменения на генном уровне, что приводит в последствии к мутациям и возникновению наследственных заболеваний.

· вызывает интенсивное деление клеток злокачественных новообразований, что приводит к возникновению раковых заболеваний.

· приводит к изменениям в нервной системе и работе сердца.

· угнетается половая функция.

· вызывает нарушение зрения.

Радиация из космоса влияет даже на зрение авиапилотов. Были изучены состояния зрения 445 мужчин в возрасте около 50 лет, из которых 79 были пилотами авиалайнеров. Статистика показала, что для профессиональных пилотов риск развития катаракты ядра хрусталика втрое выше, чем для представителей иных профессий, а тем более для космонавтов.

Космическое излучение является одним из неблагоприятных факторов для организма космонавтов, значимость которого постоянно возрастает по мере увеличения дальности и продолжительности полетов. Когда человек оказывается за пределами атмосферы Земли, где бомбардировка галактическими лучами, а также солнечными космическими лучами намного сильнее: сквозь его тело за секунду может пронестись около 5 тысяч ионов, способных разрушить химические связи в организме и вызвать каскад вторичных частиц. Опасность радиационного воздействия ионизирующего излучения в низких дозах обусловлена увеличением рисков возникновения онкологических и наследственных заболеваний. Наибольшую опасность межгалактических лучей представляют тяжелые заряженные частицы.

На основании медико-биологических исследований и предполагаемых уровней радиации, существующих в космосе, были определены предельно допустимые дозы радиации для космонавтов. Они составляют 980 бэр для ступней ног, голеностопных суставов и кистей рук, 700 бэр для кожного покрова, 200 бэр для кроветворных органов и 200 бэр для глаз. Результаты экспериментов показали, что в условиях невесомости влияние радиации усиливается. Если эти данные подтвердятся, то опасность космической радиации для человека, вероятно, окажется большей, чем предполагалось первоначально.

Космические лучи способны оказывать влияние на погоду и климат Земли. Британские метеорологи доказали, что в периоды наибольшей активности космических лучей наблюдается пасмурная погода. Дело в том, что когда космические частицы врываются в атмосферу, они порождают широкие «ливни» заряженных и нейтральных частиц, которые могут провоцировать рост капелек в облаках и увеличение облачности.

По исследованиям Института солнечно-земной физики в настоящее время наблюдается аномальный всплеск солнечной активности, причины которого неизвестны. Солнечная вспышка – это выброс энергии, сравнимый с взрывом нескольких тысяч водородных бомб. При особо сильных вспышках электромагнитное излучение, достигая Земли, изменяет магнитное поле планеты – словно встряхивает его, что сказывается на самочувствии метеочувствительных людей. Таких, по данным Всемирной организации здравоохранения, 15% населения планеты. Также при высокой солнечной активности интенсивнее начинает размножаться микрофлора и увеличивается предрасположенность человека ко многим инфекционным заболеваниям. Так, эпидемии гриппа начинаются за 2,3 года до максимума солнечной активности или спустя 2,3 года – после.

Таким образом, мы видим, что даже небольшая часть космического излучения, которая доходит до нас сквозь атмосферу, может оказать заметное влияние на организм и здоровье человека, на процессы, протекающие в атмосфере. Одна из гипотез зарождения жизни на Земле, говорит о том, что космические частицы играют значительную роль в биологических и химических процессах на нашей планете.

Глава 3. Способы защиты от радиации

Вот некоторые способы защиты космических путешественников от радиации :

В рамках Программы защиты от космической радиации предложено несколько вариантов предохранения космонавтов от воздействия космических лучей. Как земная атмосфера спасает от радиации жителей нашей планеты, так же и слой защитного вещества может обеспечить безопасность людям, находящимся в космическом аппарате или на орбитальной станции. Если на каждый квадратный сантиметр земной поверхности оказывает давление килограмм воздуха, то в космосе можно использовать тот же килограмм, только защитного вещества, на каждый квадратный сантиметр поверхности аппарата. Хватит и 500 г, которые эквивалентны массе воздуха выше 5 500 м (при меньшей массе защитный материал не сможет поглощать вторичные частицы).Если попробовать использовать воду, которая в любом случае необходима космонавтам, то потребуется слой толщиной 5 м. При этом масса сферического водного резервуара, окружающего маленькую капсулу, приблизится к 500 т. Для сравнения: максимальная грузоподъемность шаттла составляет около 30 т. Вода, богатая водородом, в отличие от веществ, содержащих более тяжелые элементы, где дополнительные протоны и нейтроны в их ядрах затеняют друг друга, ограничивая взаимодействие с пролетающими космическими частицами, могла бы создать надежную защиту. Для увеличения содержания водорода можно было бы использовать этилен (C2H4), полимеризующийся в полиэтилен, т.е. твердое вещество, для хранения которого не нужны резервуары. Но даже в этом случае необходимая масса составила бы не менее 400 т. Чистый водород был бы легче, но для него нужен массивный герметичный бак.Была предложена и другая схема защиты человека на орбите, которую можно назвать магнитной схемой. На заряженную частицу, движущуюся поперек магнитного поля, действует сила, направленная перпендикулярно направлению движения. В зависимости от конфигурации линий поля частица может отклоняться почти в любую сторону или выйти на круговую орбиту, где она будет вращаться бесконечно. Приближаясь к магнитному полю Земли на низких широтах, заряженная частица, если она не слишком энергична, отбрасывается обратно в космическое пространство. Космический корабль с мощным магнитом делал бы то же самое. Каждый протон космических лучей обладает огромной кинетической энергией, поэтому для защиты космонавтов нужно отразить протоны с энергией 2 ГэВ. Чтобы остановить их на расстоянии в несколько метров, потребуется магнитное поле с индукцией 20 Тл, что примерно в 600 тыс. раз сильнее магнитного поля Земли на экваторе. Для создания такого поля требуется электромагниты на основе сверхпроводимости, использующиеся в ускорителях частиц. Сэмюель Тинг (Samuel C.C.Ting) из Массачусетского технологического института возглавил группу, спроектировавшую такую систему массой всего 9 т, гораздо более легкую, чем защита веществом, но все равно слишком тяжелую, чтобы везти ее с собой на Марс и обратно.

ПЛАН : МАГНИТНАЯ ЗАЩИТАЭлектромагнит отталкивает падающие частицы обратно в космос. Чтобы отразить основной поток космических лучей с энергиями до 2 ГэВ, требуется магнитное поле в 600 тыс. раз сильнее земного на экваторе.

ЗА: Намного легче, чем защита веществом

ПРОТИВ: Не обеспечит защиту вдоль оси

Для подавления поля внутри жилого отсека необходимо добавить второе, внутреннее электромагнитное кольцо. Но подавление будет лишь частичным и при этом существенно усложнит систему.

У магнитной схемы есть слабые места: магнитное поле не обеспечивает защиту вблизи полюсов, где частицы движутся параллельно полю, а не поперек. Именно поэтому магнитное поле Земли дает слабую защиту тем, кто живет вдали от экватора. Чтобы космонавтам ничего не угрожало, жилой отсек космического корабля должен иметь форму бублика. Кроме того, людям придется жить в магнитном поле с индукцией 20 Тл, и никто не знает, какие это вызовет биологические последствия. Физик- экспериментатор из Чикагского университета Джон Маршалл (John Marshall) рассказал много лет назад, что, когда он сунул голову в поле с индукцией 0,5 Тл между полюса ми магнита старого ускорителя частиц, любое движение головы вызывало вспышки в глазах, а во рту появился кислый привкус, вероятно, вызванный электролизом в слюне. Учитывая, что поле может так сильно воздействовать на химические процессы, происходящие в организме человека, необходимо провести лабораторные эксперименты. Возможно, инженерам придется нейтрализовать поле в пределах жилых помещений, используя компенсирующий электромагнит. Естественно, наличие второго магнита заметно усложнит систему.Некоторые исследователи предложили использовать поле, простирающееся на много дальше, чем на несколько метров. Поле можно расширить, используя плазму: известно, что ионизированный газ солнечного ветра переносит магнитное поле Солнца на большие расстояния. Защитник и этого метода утверждают что такое «раздутое» поле не должно быть сильным: достаточно индукции около 1 Тл. К сожалению, они забывают о неустойчивости плазмы. Последние 50 лет в лабораториях тщетно пытаются удержать плазму в магнитном поле, чтобы использовать ее в энергетических установках термоядерного синтеза. Опыты доказали способность плазмы ускользать при любой попытке управлять ею. Впрочем, даже если удастся использовать плазму для расширения магнитного поля, она скорее ослабит защиту, чем усилит ее. Линии поля радиально вытянутся во все стороны, и влетающему протону придется пересекать меньше силовых линий. Защита ослабнет и станет такой же, как в полярных областях Земли. Заключение и выводы

Для отражения летящих частиц можно применять мощные магниты, но магниты очень тяжелы, и пока неизвестно, насколько опасным для космонавтов окажется магнитное поле, достаточно мощное, чтобы отражать космическую радиацию.

Космический корабль или станция на поверхности Луны с магнитной защитой. Тороидальный сверхпроводящий магнит с напряжённостью поля не позволит большей части космических лучей проникнуть в кабину пилотов, расположенную внутри магнита, и, тем самым, снизит суммарные дозы радиации от космического излучения в десятки и более раз.

Перспективные проекты NASA — электростатический радиационный щит для лунной базы и лунный телескоп с жидким зеркалом (иллюстрации с сайта spaceflightnow.com

Я считаю, что магнитная защита является самой перспективной в решении проблем с радиацией. Во- первых она обеспечивает мощную защиту от радиации, не хуже защиты Земли. По сравнению защиты веществом магнитная защита легче в транспортировке. Во- вторых магнитная защита проста в конструкции, требует меньше затрат на энергию. К тому же ученые ЦЕРН уже начали разрабатывать проект -SR2S(SR2S, Европейская космическая сверхпроводящая защита от излучения).

Они уже добились значительных результатов в этом проекте

:В апреле 2014 года учёные ЦЕРН объявили о получении рекордных показателей тока — при температуре 24К через два двадцатиметровых отрезка кабеля из диборида магния был пропущен ток силой 20кА.

Несомненно, для создания полноценной защиты потребуется решить множество технических вопросов. Помогает учёным тот факт, что диборид магния — достаточно хорошо проверенный материал, который, к тому же, обладает сверхпроводимостью при температурах до 25К, что позволит создать упрощённую систему охлаждения

Источники информации

https://geektimes.ru/post/259920/

http://go2starss.narod.ru/pub/E024_KZP.html

https:/ru.wikipedia.org/wiki/Радиация

http://www.bestreferat.ru/referat-410079.html

http://www.russianatom.ru/information

http://otravleniya.net/izluchenie/radiatsiya-i-ee-vliyanie-na-cheloveka.html

http://rb.mchs.gov.ru/about_radiation/Radiacija_i_zdorove_cheloveka/Dejstvie_radiacii_na_cheloveka