Dziś troszkę historyczny post, ale w sumie ważny, jako że podobny problem będą mieli astronauci wybierający się na Marsa. Jak wydostać się z niskiej orbity ziemi bez ryzyka usmażenia promieniowaniem z pasów Van Allen’a. Problem ten został dość dobrze rozwiązany podczas misji Apollo – poza misją Apollo 14, kiedy to astronauci dostali relatywnie dużą dawkę promieniowania (ponad 1 rad), wszystkie inne misje przedostały się w obie strony praktycznie bez narażania astronautów. O tym ile promieniowania dostali astronauci w każdej z misji wiemy dzięki temu że każdy z nich nosił dozymetr (a NASA opublikowała te dane).
Najpierw parę słów o pasach Van Allena – nie otaczają one szczelnie naszej planety, a raczej występują w postaci dwóch torusów (obrazek z Wikipedii):
Oczywiście to uproszczenie, jako że pasy te nieustannie zmieniają swój rozmiar (zależą one silnie od aktywności słońca) i nie mają wyraźnych granic. Dużo lepiej przekrój tych pasów prezentuje obrazek na górze dzisiejszego posta. Co więcej pasy te są nachylone, jako że ich położenie jest powiązane z polem magnetycznym Ziemi (północ magnetyczna i północ geograficzna nie są identyczne).
Jak widać na obrazku można bez problemu zaprojektować trajektorie, które prowadzą statek kosmiczny z daleka od pasów Van Allena. Ale wymaga to znacznie większej ilości energii, jako że nie możemy w pełni wykorzystać efektu procy jaki daje nam Ziemia. W związku z czym projektując trajektorię na Marsa czy Księżyc trzeba znaleźć kompromis – z jednej strony osłony przeciwko promieniowaniu ważą, z drugiej strony ominięcie pasów Van Allena wymaga większej ilości energii. Dlatego Apollo wybrało kompromis – trajektorię omijającą większość pasów Van Allena i minimalizację dozy promieniowania jaką uzyskają astronauci przez instalację osłon oraz utrzymanie pozycji statku tak by promieniowanie uderzało od strony modułu serwisowego. Wyniki były lepsze od przewidywanych – większość promieniowania jakie astronauci dostali w czasie misji wynikało z efektów wiatru słonecznego a nie przejścia przez pasy Van Allena.
Jeszcze mała ciekawostka na temat osłon przed promieniowaniem. Astronauci muszą się chronić przed trzema rodzajami promieniowania – wysokoenergetycznymi elektronami (zewnętrzny pas Van Allena + część wiatru słonecznego + minimalna część promieniowania kosmicznego), wysokoenergetycznymi protonami (wewnętrzny pas Van Allena + część wiatru słonecznego + większość promieniowania kosmicznego) i ciężkimi jonami (niewielka, ale wyjątkowo złośliwa cześć promieniowania kosmicznego). Badania wskazują na to że często najlepszą osłoną przeciwko promieniowaniu jej jej brak – osłony mogą spowodować więcej złego niż dobrego. Wysokoenergetyczne protony oraz ciężkie jony w zderzeniu z atomami osłony powodują powstanie wielu radioaktywnych izotopów – osłona zamiast zabezpieczać astronautów przed promieniowaniem, naraża ich bardziej. Dlatego najlepszym materiałem na osłonę jest ciekły wodór – nie da się rozszczepić jego jąder na nic innego i wyprodukować radioaktywnych materiałów. Niestety ciekły wodór jako osłona jest wysoce niepraktyczny, więc używa się materiałów w których jest go dużo – wody oraz wszelkiego rodzaju polimerów (a w szczególności Teflonu i polietylenu). Jednak obecnie mówi się że najlepszą metodą na zabezpieczenie astronautów przed promieniowaniem będzie po prostu nie zabezpieczanie ich wcale – szanse że wysokoenergetyczny proton uderzy w coś przelatując przez ludzkie ciało są niewielkie Warto także pamiętać że z uwagi na efekty relatywistyczne ludzkie ciało jest dla wysokoenergetycznego protonu bardzo „płaskie” – jak niezwykle cienki naleśnik.
O ile lot na księżyc trwa tylko kilka dni i ilość promieniowania kosmicznego oraz wiatru słonecznego na który są narażeni astronauci jest niewielka (do tego można kontrolować ten drugi wybierając na lot momenty z mniejszą aktywnością słońca), o tyle lot na Marsa będzie dużo większym wyzwaniem. Prawdopodobnie trzeba będzie wykorzystywać okresy w których jednocześnie mamy dobre ustawienie Ziemi i Marsa i niską aktywność Słońca.
Zainteresowanych lotami Apollo z punktu widzenia fizyki kieruję tutaj. Autor dokonał wielu symulacji pokazujących jak działały różne elementy programu – np. w jaki sposób odpowiednie wystrzelenie rakiety pozwala na przelot wokół Księżyca i powrót na Ziemię bez żadnych manewrów.
