На пути к звездам: чем опасны космические перелеты

Человек всегда стремился к преодолению неизвестности. Тысячи лет географические открытия совершались на пределе возможностей, но всегда транспорт и снаряжение страдали чуть больше, чем первооткрыватель — корабли разбивало в шторм, обоз с провиантом падал в пропасть, сани вмерзали в лед, а человек всё двигался и двигался к своей цели.

Когда на планете не осталось белых пятен, мы стали задумываться о космосе. Программы освоения Луны и Марса не фантастика, а неизбежное будущее. За ними — далекие перелеты к ближайшим звездам. Чем дальше человек будет уходить от Земли, тем больше трудностей встретит по пути. Мы подошли к рубежу, за которым не техника, а сами люди испытывают запредельные перегрузки.

Какие угрозы ждут нас в космосе, и какие технологии позволят выжить — об этом расскажем дальше.

6 сентября 1522 года потрепанный корабль «Виктория» вернулся в Испанию — единственный из пяти кораблей кругосветной экспедиции Магеллана, на котором приплыли 18 из 260 членов экипажа. Прославленного мореплавателя умертвили аборигены с острова Мактан в филиппинской провинции Себу. 

История с Магелланом хорошо демонстрирует риски, которые несет исследователь, отважившийся отправиться в неизвестные земли. Но путешественники на своем пути не сталкивались с чем-то совершенно неведомым. Нам же при путешествии к звездам (и в перелетах на ближайшие планеты) потребуется создавать новую науку — космическую биомедицину. 

Космонавты, отправляющиеся на Марс, могут сломать себе кости и страдать от мочекаменной болезни, их ждет бессонница и депрессия, а в перспективе — смерть от рака. Вот почему различные научно-исследовательские группы проводят сейчас тестирование различных гипотез на МКС. Мы должны знать заранее, как на человеческое тело и психику влияет длительное пребывание в космосе. 

Из-за реакции вестибулярного аппарата возникает тошнота, проявляется чувство дезориентации. Даже у летчиков с сильной нервной системой, для которых раздражения вестибулярного аппарата при выполнении фигур высшего пилотажа являются профессионально обычными, могут возникать тяжелые нарушения ориентировки, сопровождающиеся эмоционально-невротическими срывами. Известно, что космонавты чувствуют себя нормально первые несколько часов после выхода на орбиту, после чего у большинства из них возникают эффекты, связанные с отсутствием силы тяжести. Через несколько дней наступает адаптация и неприятные явления пропадают. 

Мы эволюционировали как прямоходящие организмы. Наше тело миллионы лет строилось под воздействием гравитации. Наши кости и мышцы развивались, сопротивляясь воздействию гравитационного поля, и идеально научились взаимодействовать с окружающим миром.

При микрогравитации организм начинает сбоить. Сердечно-сосудистая система предназначена для перекачивания крови против силы тяжести. К примеру, в венах ног есть обратные клапаны, препятствующие скапливанию крови в ногах, зато таких клапанов нет в сосудах верхней части тела. Без воздействия гравитации кровь поднимается к груди и голове, из-за чего у космонавтов опухают лица, повышается давление. Пребывание в условиях невесомости более 6 месяцев приводит к нарушению деятельности кровеносной системы. Например отмечалось нарушение газообмена в капиллярах, в результате чего к тканям и органам поступало намного меньше кислорода.

До того, как на орбите ввели программу физической поддержки, космонавтам приходилось особенно тяжело. После 18 суток полета на корабле «Союз-9» у космонавта Андрияна Николаева зафиксировали уменьшение объема сердца на 12%. Костная ткань потеряла калий и кальций, стала рыхлой. Изменился состав крови: гемоглобин уменьшился на 25%, количество эритроцитов — на 20%, а тромбоцитов — на 50%. 

Космонавты буквально начинают терять собственные кости. Сначала организм выводит кальций и фосфор, что приводит к постепенному ослабеванию костей и повышенному риску остеопороза. Потеря костной массы может достигать 1,5% в месяц, а восстановление после возвращения на Землю занимает не менее трех-четырех лет. 

Кальций не просто уходит из костей — он вымывается в кровь и мочу, что может привести к возникновению мочекаменной болезни. Всё это происходит в первые дни полета. А ведь перелет до Марса займет почти год, и после посадки экипаж должен будет действовать без посторонней помощи.

Из-за отсутствия гравитационного сдавливания позвоночник удлиняется, что приводит к спинным болям. Мышцы спины значительно деградируют во время пребывания в космосе, уменьшаясь на 19%. Более половины членов экипажа МКС жаловались на боли в спине. Космонавты в четыре раза чаще, чем обычные люди, получают грыжу межпозвоночных дисков.

Другая серьезная проблема — проблемы со зрением. Причина, согласно исследованиям, в увеличении объема спинномозговой жидкости. Из-за этого возрастает давление, и жидкость сначала выдавливает в футляр зрительного нерва, а затем вдоль пространств между волокнами зрительного нерва внутрь глазного яблока. В результате развивается дальнозоркость. 

Сейчас есть несколько способов решения проблемы микрогравитации. Космонавты на МКС занимаются на тренажерах около двух часов в день, противодействуя деградации костей, мышц и сосудов. Лучшее решение — искусственная гравитация. Теоретически её вполне можно создать на корабле. Практически — пока требуется слишком много ресурсов.

Curiosity имеет на борту прибор RAD для определения интенсивности радиоактивного облучения. Это первое устройство, предназначенное для сбора данных о вредных формах излучения на поверхности Марса.

Длительное воздействие космической радиации способно очень негативно отразиться на здоровье человека. На Земле мы защищены от космических лучей, потому что атмосфера и магнитное поле планеты действуют как щит, тормозящий элементарные частицы и ядра атомов. С такими частицами лучше не встречаться — они приводят к повреждению ДНК, мутации клеток и раку. А когда мы доберемся до Марса, придется жить с мыслью, что у планеты нет озонового слоя — ничто не защищает и от ультрафиолетового излучения. 

Ежедневная доза космической радиации на МКС — 1 мЗв, то есть тысячная от зиверта. Для сравнения, 1 зиверт излучения связан с 5,5% увеличением риска рака. В общем-то, не так страшно. Всё становится намного хуже, когда мы покидаем магнитосферу Земли. Во время путешествия космонавты будут подвержены разным типам изучения. Высокоэнергетические субатомные частицы, летящие от Солнца, и ионизирующее излучение, вызванное взрывом сверхновой, быстрее всего разрушают биологические ткани. Помимо рака, они также могут вызывать катаракту и болезнь Альцгеймера.

Когда эти частицы попадают в обшивку корпуса корабля, некоторые атомы металла распадаются на части, излучая еще более быстрые частицы; это называется вторичным излучением. 

Данные другого исследования показывают, что отсутствие защитного магнитного поля снижает когнитивные функции человека (скорость мышления, способность к обучению и прочее), вызывает обострение аллергических реакций. 

Решение проблемы? Ученые разрабатывают способы снижения воздействия, например, используя в обшивке корабля различные защитные материалы. Но пока единственное решение, которое у нас есть — это скорость полета. Чем быстрее мы доберемся до Красной планеты, тем меньше пострадают космонавты. 

В рамках научного эксперимента по подготовке полетов на Марс шесть человек год жили в доме-куполе на Гавайях.

Психические болезни — еще один большой риск для космонавтов. Психическую болезнь сложно обнаружить и еще сложнее вылечить. 

Жить на борту корабля очень скучно. Вся ваша деятельность состоит из рутинных повторов, выстроенных в рабочем графике. Однообразные, повторяющиеся задачи приводят к апатии, потере интереса, неосторожности и ошибкам.

Другой риск связан с психологической совместимостью. Нужно прожить на ограниченной территории в компании людей, с которыми вы, возможно, познакомились за несколько месяцев до старта.

Космонавты, как прекрасно подготовленные и высокомотивированные люди, не склонны жаловаться или резко выражать свои эмоции. Поэтому трудно распознавать признаки психологического напряжения в группе сверхпрофессионалов. На Земле могут не догадываться о реальных проблемах, пока не произойдет эмоциональный взрыв, либо, что вероятнее, наш классный специалист тихо уйдет в себя и погрузится в депрессию.

Вот почему проводятся эксперименты, в которых людей запирают друг с другом в одном помещении. У NASA был проект «Hawaii Space Exploration Analog and Simulation», в России организовали «Марс-500» — эксперимент по имитации пилотируемого полёта на Марс, продолжавшийся рекордные 519 дней. 

Оба эксперимента показали хорошую коммуникацию между членами экипажа, легкость взаимодействия и готовность к командной работе на любом отрезке времени. Самая большая психологическая проблема, с которой столкнулись участники экспериментов, это скука, но она не поставила под удар всю миссию.

Однако объективными полученные данные назвать нельзя. Условия экспериментов слишком далеки от реального межпланетного перелета. Любой участник в любое время может отказаться от дальнейшего участия и покинуть комплекс, в отличие от реального полета на Марс. Каждый участник знал, что находится на Земле (и не погибнет в безвоздушном пространстве), а симуляция продолжалась лишь до тех пор, пока он сам этого хотел. К тому же, никто из участников не страдал от реальных болезней, что могут ждать космонавтов по дороге на Марс. 

Однозначного решения у проблемы нет. Потребуются долгие месяцы тестов и тщательнейший психологический подбор, чтобы подготовить команду. И еще нужно решить важный вопрос: отправлять ли в космос группу однополых людей или представителей разных полов? 

Бактерии прекрасно чувствуют себя на МКС и, очевидно, полетят вместе с нами на Марс, а потом еще дальше. В то же время, невесомость может подавлять определенные иммунные функции, делая людей более уязвимыми для болезней.

Микрофлора на космических станциях активно пытается поедать всё, что может. Достаточно иметь высокую влажность и питательные вещества, чтобы бактерии и грибы начали поедать пластиковую изоляцию, расти на стекле и повреждать его выделяемыми при росте кислотами. 

Жизнь всегда найдет себе дорогу – организмы обитают даже на внешней обшивке МКС. 

Группа ученых под руководством Брайана Крушиана из NASA изучала, как длительное пребывание в космосе отражается на функционировании иммунной системы человека. Выяснилось, что иммунная система людей, пребывавших в состоянии невесомости около шести месяцев, работала плохо: снизилась способность вырабатывать Т-лимфоциты, уровень лейкоцитов упал, а способность распознавать чужеродные микроорганизмы и клетки находилась в подавленном состоянии. Это будет серьезной проблемой, если на борту окажутся опасные бактерии. 

Очевидно, что мы не сможем уничтожить все бактерии (для этого понадобилось бы уничтожить и людей), но стоит больше работать в области поддержания иммунитета. 

Самое большое испытание в космосе — это мутации в организме, при которых иммунная система отказывает, а лекарства не помогают, потому что метаболизм изменился под воздействием микрогравитации. 

Как мы можем справиться с мутациями и другими проблемами? На сегодняшний день нет готового решения для устранения всех опасностей космических перелетов, но есть несколько концепций, поддержанных Илоном Маском. В частности, проблема космической радиации может быть решена с помощью оптимального слоя защиты корпуса, «усиленного» магнитным полем вокруг корабля, отклоняющего поток заряженных частиц. Кроме того, продолжаются поиски эффективных противораковых препаратов.  

До самого Марса можно просто быстрее лететь – двигатели с приростом удельного импульса на порядки величины начали разрабатываться более полувека назад, и при должном финансировании и организации работ вполне могут быть реализованы. Но требуются очень большие усилия – поэтому в отпуск на Луну в начале 21 века никто не летает, хотя фантасты писали об этом много лет назад.