Нейтронная компонента радиационного фона на поверхности Марса и Луны в условиях спокойного Солнца и мощных солнечных протонных событий

Одна из критических проблем, которую предстоит решить при планировании пилотируемых экспедиций на Луну и Марс, — защита от радиации во время межпланетного перелёта и на поверхности этих космических тел. У них нет магнитного поля и нет плотной атмосферы, которые защищают нас на Земле.

Опасность представляет не только первичная радиация — высокоэнергичные частицы галактических космических лучей (ГКЛ) и солнечных вспышек, но и вторичные частицы, которые рождаются в верхнем слое грунта и элементах конструкции самого космического аппарата. В число этих вторичных частиц входят нейтроны, которые могут быть очень опасны для человека.

Вклад в общую радиационную дозу вторичных нейтронов оценили сотрудники отдела ядерной планетологии ИКИ РАН. Они провели численное моделирование нейтронного потока на орбите и на поверхности Луны и Марса, учитывая состав грунта, наличие атмосферы, а также солнечную активность.

Если в грунте содержится водяной лёд, то молекулы воды эффективно тормозят возникающие в ядерных реакциях нейтроны, и таким образом энергия вторичных частиц будет ниже. Эффект от наличия атмосферы не столь однозначен, но в случае Марса, где плотность атмосферы невелика, она становится своеобразным «зеркалом», которое многократно отражает излучаемые с поверхности нейтроны и таким образом значительно увеличивает уровень радиации.

Полученные в ходе моделирования результаты сравнили с данными марсианских приборов ХЕНД, ДАН и ФРЕНД и с данными, полученными в лунном эксперименте ЛЕНД. Они работают на марсианских и лунных аппаратах, измеряя потоки нейтронов на орбите или, в случае ДАН, на поверхности планеты.

Для Марса была построена глобальная карта распределения нейтронной компоненты радиационного фона в условиях спокойного Солнца, когда основным источником вторичных нейтронов являются заряженные частицы ГКЛ. Учитывались региональная переменность содержания подповерхностной воды и сезонные вариации атмосферы.

На основе этой карты была составлена таблица доз для районов-кандидатов на возможные места посадок будущих пилотируемых экспедиций, которые ранее были предложены мировым сообществом. Показано, что в максимуме потока ГКЛ мощность нейтронной дозы может составлять от 85 до 145 мкЗв/сут в зависимости от выбранного места посадки. Существенное влияние на величину дозы оказывает наличие в грунте подповерхностной воды (изменение дозы на 25%) и локальная толщина атмосферы (изменение дозы на 15%). Сезонные вариации атмосферы почти не влияют на величину дозы (изменение дозы не более 4-6%).

С точки зрения радиационного риска именно нейтронного фона наиболее безопасными местами выступают области с высоким содержанием воды, находящиеся на высокогорье, где атмосферный столб менее высок. На основе этого были предложены наиболее безопасные районы посадки для будущих экспедиций.

Также исследователи промоделировали влияние на радиационную обстановку на Марсе мощных солнечных протонных событий, одно из которых произошло в мае 2024 г. Работающие у планеты и на её поверхности приборы измерили возрастание нейтронного фона и таким образом позволили экспериментально проверить результаты численного моделирования. Суммарная нейтронная доза, которую могли бы получить космонавты, находясь на поверхности Марса, составила бы, согласно полученным оценкам, около 600 мкЗв, что эквивалентно 11 дням пребывания на поверхности Марса в условиях спокойного Солнца.

Работа «Нейтронная компонента радиационного фона на поверхности Марса и Луны в условиях спокойного Солнца и мощных солнечных протонных событий» выполнена под руководством заведующего отделом ядерной планетологии д.ф.-м.н. Митрофанова Игоря Георгиевича. Она вошла в список наиболее значимых результатов, полученных ИКИ РАН в 2025 г. и представленных в Отделение физических наук Российской академии наук. Исследование выполнено в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации, Тема «Освоение», № 122042500014-1. Направления ПФНИ: 1.3.3.4. Изучение межпланетного пространства в периоды спорадических процессов на Солнце по данным наблюдений космических лучей.; 1.3.7.5. Планеты и планетные системы.