Суммарный радиационный риск в течение жизни космонавтов после осуществления межпланетных и орбитальных космических полетов Шафиркин А.В. Шафиркин А.В. Государственный научный центр РФ – Институт медико- биологических проблем РАН, Москва, Россия Государственный научный центр РФ – Институт медико- биологических проблем РАН, Москва, Россия «Влияние космической погоды на человека в космосе и на Земле» Международная конференция Институт космических исследований РАН, Москва, Россия 4-8 июня 2012

Радиационный риск длительных космических полетов Радиационный риск длительных космических полетов Программа полетов к Марсу и разработка конструкции Марсианского корабля проводились в КБ С.П. Королева в начале 60-х годов параллельно с первыми пилотируемыми полетами. Программа полетов к Марсу и разработка конструкции Марсианского корабля проводились в КБ С.П. Королева в начале 60-х годов параллельно с первыми пилотируемыми полетами. Проработки некоторых вариантов показали, что если использовать двигательный комплекс, состоящий из модулей большой и малой тяг и включающий жидкостной реактивный двигатель (ЖРД) и ядерно- энергетическую двигательная установку (ЯЭРДУ), то можно значительно сократить время пребывания в РПЗ и продолжительность всей экспедиции до 615 суток. Проработки некоторых вариантов показали, что если использовать двигательный комплекс, состоящий из модулей большой и малой тяг и включающий жидкостной реактивный двигатель (ЖРД) и ядерно- энергетическую двигательная установку (ЯЭРДУ), то можно значительно сократить время пребывания в РПЗ и продолжительность всей экспедиции до 615 суток. В этом случае радиационную опасность для экипажа в основном представляют ГКЛ и СКЛ. Протоны и электроны РПЗ перестают представлять существенную опасность ввиду быстрого пересечения марсианским кораблем РПЗ. В этом случае радиационную опасность для экипажа в основном представляют ГКЛ и СКЛ. Протоны и электроны РПЗ перестают представлять существенную опасность ввиду быстрого пересечения марсианским кораблем РПЗ. Обобщенная доза от ГКЛ определялась на основе значений мощности среднекостномозговой дозы или близкого к ней значения среднетканевой дозы. _ __ Обобщенная доза от ГКЛ определялась на основе значений мощности среднекостномозговой дозы или близкого к ней значения среднетканевой дозы. _ __ ГКЛ D КМ - t D ГКЛ - t ГКЛ D КМ - t D ГКЛ - t Н Б = ________ (1-e ) ___________ (1 - e ) Н Б = ________ (1-e ) ___________ (1 - e ) - постоянная восстановления на уровне организма, равная 0,02 1/сут. - постоянная восстановления на уровне организма, равная 0,02 1/сут.

При рассмотрении конкретной защиты космического аппарата (КА) для расчетов доз использовали представленные в литературе зависимости мощности среднетканевой эквивалентной дозы ГКЛ для шарового фантома, представляющего стандартизованную модель тела человека, от толщины защиты для периодов максимума и минимума СА. При рассмотрении конкретной защиты космического аппарата (КА) для расчетов доз использовали представленные в литературе зависимости мощности среднетканевой эквивалентной дозы ГКЛ для шарового фантома, представляющего стандартизованную модель тела человека, от толщины защиты для периодов максимума и минимума СА. Для периода максимума и минимума СА выражение для мощности среднетканевой эквивалентной дозы (сЗв/сут) в зависимости от толщины защиты Х космического аппарата из алюминия (г/см2) имеет вид: Для периода максимума и минимума СА выражение для мощности среднетканевой эквивалентной дозы (сЗв/сут) в зависимости от толщины защиты Х космического аппарата из алюминия (г/см2) имеет вид: _ _ D ГКЛ = 1 / 365 [5 exp(-X / 6.45) + 24 exp (-X / 85.5)] -максимум СА D ГКЛ = 1 / 365 [5 exp(-X / 6.45) + 24 exp (-X / 85.5)] -максимум СА _ _ D ГКЛ = 1 / 365 [41.5 exp(-X / 2.8) + 48 exp (-X / 85.5)] -минимум СА D ГКЛ = 1 / 365 [41.5 exp(-X / 2.8) + 48 exp (-X / 85.5)] -минимум СА Галактическое космическое излучение характеризуется относительно жестким спектром. Оно слабо ослабляется с толщиной защиты, Как это следует из представленных уравнений дозы за год для периода минимума СА оказываются достаточно высокими и в 2 – 2, 5 раза превышают величины доз для периода максимума СА. Поэтому реальный полет к Марсу планируется проводить именно в период максимума СА. При этом вес физической защиты марсианского корабля будет существенно меньшим и в большей степени связан с системами жизнеобеспечения. Галактическое космическое излучение характеризуется относительно жестким спектром. Оно слабо ослабляется с толщиной защиты, Как это следует из представленных уравнений дозы за год для периода минимума СА оказываются достаточно высокими и в 2 – 2, 5 раза превышают величины доз для периода максимума СА. Поэтому реальный полет к Марсу планируется проводить именно в период максимума СА. При этом вес физической защиты марсианского корабля будет существенно меньшим и в большей степени связан с системами жизнеобеспечения. Степень опасности воздействия СКЛ можно представить на основе расчетов локальных эквивалентных доз за различными толщинами защиты от ряда СПС солнечного цикла, а также среднетканевых эквивалентных доз, которые представлены в таблице 4. Степень опасности воздействия СКЛ можно представить на основе расчетов локальных эквивалентных доз за различными толщинами защиты от ряда СПС солнечного цикла, а также среднетканевых эквивалентных доз, которые представлены в таблице 4.

Рис.16 Зависимость выживаемости мужчин в ближайшем периоде от дозы при равномерном остром облучении. Пунктиром представлена кривая для больных людей, облучавшихся в клинике с терапевтической целью Из литературных данных установлено, что зависимость вероятности гибели в пробитах от дозы острого кратковременного облучения в ближайшие 60 суток после облучения может быть записана в виде: y 1 = 1,8 + 0, Н Б, где Н Б – обобщенная доза, сЗв, а y 1 – пробит – смещенное на 5 единиц значение верхнего предела интеграла вероятности (y 1 = х +5 ). Таким образом, дозы облучения, приводящие к 1%, 10%, 50 % и 90 % гибели относительно здоровых мужчин, составляют 90, 200, 330 и 460 сЗв соответственно. Вероятность выживания в пробитах от дозы острого облучения будет определяться на основе выражения : y = 8,2 - 0, Н Б. На рис. 16 представлены кривые вероятности выживания в пробитах для человека в зависимости от дозы острого кратковременного облучения.

В каждой из разыгрываемых методом Монте-Карло историй межпланетного полета исследуемой продолжительности выбирали максимальные значения обобщенных доз и определяли риск смертности для отдельных периодов по 60 суток и для всей длительности полета. Затем рассчитывали среднее значение риска на основе 10 4 историй. В каждой из разыгрываемых методом Монте-Карло историй межпланетного полета исследуемой продолжительности выбирали максимальные значения обобщенных доз и определяли риск смертности для отдельных периодов по 60 суток и для всей длительности полета. Затем рассчитывали среднее значение риска на основе 10 4 историй.

Р адиационный риск в процессе полета, как и демографический риск, существенно возрастают с увеличением возраста космонавтов. Эти риски для 50-ти летнего космонавта более, чем в 3 раза превышают риски для 30-ти летнего. Р адиационный риск в процессе полета, как и демографический риск, существенно возрастают с увеличением возраста космонавтов. Эти риски для 50-ти летнего космонавта более, чем в 3 раза превышают риски для 30-ти летнего. Rrad(Т 0 ) = Rrad(40) exp [0,062 (T 0 –40)] Rrad(Т 0 ) = Rrad(40) exp [0,062 (T 0 –40)] Однако, следует отметить, что отношение радиационного риска к демографическому не зависит от возраста космонавтов и длительности полета, а зависит только от толщины радиационного убежища. Однако, следует отметить, что отношение радиационного риска к демографическому не зависит от возраста космонавтов и длительности полета, а зависит только от толщины радиационного убежища.

К обоснованию суммарного радиационного риска для космонавтов в течение всей их жизни Кратко материалы 14-летнего эксперимента на большой партии собак, облучавшихся непрерывно от 3 до 6 лет в режиме, моделирующем радиационное воздействие на космонавтов от ГКЛ, и подвергавшихся каждые 4 месяца суточному облучению, моделирующему распределенное воздействие протонов СКЛ.

Отдаленные нарушения по результатам 14-летнего ХЭ на собаках при моделировании дозовых нагрузок на космонавтов при полете на Марс -через 2 гола от начала облучения после первоначальной активации адаптационных процессов и значительного напряжения регуляторных систем наблюдали выраженные морфологические изменения в коре головного мозга, в частности в гипоталамусе и гипофизе, отмечали нарушения нейроэндокринной регуляции, резкое снижение гормональной активности; -несколько позже отмечали нарушения в системе кровообращения, обусловленные в частности склеротическими изменениями сосудов сердца, легких, печени, и почек, что нарушало кровообращение ведущих органов и систем; -выявлены нарушения терморегуляции и выраженное снижение физической работоспособности собак. Все это свидетельствовало о значительном ускорении процессов старения животных, что подтверждают данные о заметном сокращении продолжительности их жизни. Серьезное снижение резервов организма, зависимое от мощности дозы и длительности облучения, выразилось в значительном снижении скорости восстановления поражения, как в системе кроветворения и сперматогенеза, так и в восстановлении показателей ССС после применения физической нагрузки.

Резервы организма и коэффициенты смертности от возраста

Закономерности изменения суммарного объема компенсаторных резервов организма и коэффициентов смертности в зависимости от возраста для возрастов, превышающих 25 лет

Алгоритм расчета суммарного радиационного риска в течение жизни космонавтов и оценки возможного сокращения продолжительности жизни в результате радиационного воздействия в межпланетном космическом полете Функция дожития, обычно используемая в демографии для когорты в возрасте t и определяющая вероятность дожить к какому-то возрасту Т, обычно представляется следующим уравнением: Функция дожития, обычно используемая в демографии для когорты в возрасте t и определяющая вероятность дожить к какому-то возрасту Т, обычно представляется следующим уравнением: T T V(T) = exp {- µ( )d }=exp{-[µ(t)/ 0 ]·[exp{ 0 (T-t)}-1]} V(T) = exp {- µ( )d }=exp{-[µ(t)/ 0 ]·[exp{ 0 (T-t)}-1]} t t Следующее уравнение относится для людей в случае радиационного воздействия в обобщенной дозе Н. Оно в соответствии с моделью радиационной скорости смертности, рассмотренной выше, отличается множителем eхр(ВН 0 ). Следующее уравнение относится для людей в случае радиационного воздействия в обобщенной дозе Н. Оно в соответствии с моделью радиационной скорости смертности, рассмотренной выше, отличается множителем eхр(ВН 0 ). T T Vrad (T) = exp {- µrad ( ) d }= exp{-[µ(t)/ 0 ] exp(BH 0 ) [exp{ 0 (T-t)}-1]}, Vrad (T) = exp {- µrad ( ) d }= exp{-[µ(t)/ 0 ] exp(BH 0 ) [exp{ 0 (T-t)}-1]}, t t где µrad ( ) = µ( ) eхр (ВН 0 ). где µrad ( ) = µ( ) eхр (ВН 0 ). Коэффициент В установлен на основе представленных в литературе радиобиологических данных и составляет 0,36 1/Зв. Коэффициент В установлен на основе представленных в литературе радиобиологических данных и составляет 0,36 1/Зв. Суммарный радиационный риск в течение всей жизни космонавтов к возрасту Т=70 лет равен разности функций дожития R= V(T) - Vrad (T), а сокращение средней предстоящей продолжительности жизни (СППЖ) можно вычислить на основе уравнения: Суммарный радиационный риск в течение всей жизни космонавтов к возрасту Т=70 лет равен разности функций дожития R= V(T) - Vrad (T), а сокращение средней предстоящей продолжительности жизни (СППЖ) можно вычислить на основе уравнения: _ _ _ _ ΔT = T – Trad = V( )d - Vrad( )d ΔT = T – Trad = V( )d - Vrad( )d t t t t

Оценка радиационной опасности для членов экипажей при осуществлении орбитальных космических полетов на основе расчетных методик и данных бортового и индивидуального дозиметрического контроля Среднетканевые поглощенные дозы от ГКЛ и радиационных поясов Земли (РПЗ) в результате осуществления орбитальных полетов на ОС МИР были оценены на основе расчетов доз в отсеках станции и внутри стандартизованного фантома и уточнены по результатам бортовой дозиметрии и измерениям индивидуальных доз у членов экипажей в конце полета Среднетканевые поглощенные дозы от ГКЛ и радиационных поясов Земли (РПЗ) в результате осуществления орбитальных полетов на ОС МИР были оценены на основе расчетов доз в отсеках станции и внутри стандартизованного фантома и уточнены по результатам бортовой дозиметрии и измерениям индивидуальных доз у членов экипажей в конце полета Дозы от солнечных космических лучей (СКЛ) внутри орбитальных станций, как показали расчеты методом Монте - Карло для реальных толщин защиты ОС и с учетом коэффициента ослабления дозы (К) за счет отклонения протонов магнитным полем Земли, оказались почти на 2 порядка ниже, чем суммарная доза от ГКЛ и РПЗ. Поэтому при оценках суммарного радиационного риска дозы от СКЛ пока не учитывались Дозы от солнечных космических лучей (СКЛ) внутри орбитальных станций, как показали расчеты методом Монте - Карло для реальных толщин защиты ОС и с учетом коэффициента ослабления дозы (К) за счет отклонения протонов магнитным полем Земли, оказались почти на 2 порядка ниже, чем суммарная доза от ГКЛ и РПЗ. Поэтому при оценках суммарного радиационного риска дозы от СКЛ пока не учитывались

Зависимость коэффициентов качества космических излучений на орбите станции МИР в различные периоды СА (на основе расчетов и измерений спектров ЛПЭ)

Динамика изменения мощности дозы внутри станции МИР за 28 основных экспедиций по данным ионизационной камеры Д2 радиометра Р-16

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ

Формирование радиационного поражения в системе кроветворения мышей на основе ОЛП при их хроническом гамма-облучении в течение 120 суток - А и до конца жизни – Б (Praslicka M, Chlebovsky O, 1973; Kalina I, Praslicka M, Petrovicova J, 1975,1977)

Нами на основе рассчитанных значений среднетканевых эквивалентных доз при осуществлении межпланетного космического полета (в предположении, что эквивалентные дозы во всех органах одинаковы) и материалов, представленных в литературе о моделях канцерогенного риска, проведены также оценки радиационного риска развития опухолей в течение жизни космонавтов, начинающих полет в различном возрасте. Нами на основе рассчитанных значений среднетканевых эквивалентных доз при осуществлении межпланетного космического полета (в предположении, что эквивалентные дозы во всех органах одинаковы) и материалов, представленных в литературе о моделях канцерогенного риска, проведены также оценки радиационного риска развития опухолей в течение жизни космонавтов, начинающих полет в различном возрасте. Для канцерогенного риска получены максимальная и минимальная оценки без учета и с учетом соответственно коэффициентов редукции дозы, обусловленных малыми значениями мощности дозы. Для канцерогенного риска получены максимальная и минимальная оценки без учета и с учетом соответственно коэффициентов редукции дозы, обусловленных малыми значениями мощности дозы.

На основе анализа СПС 19 и 20-го солнечных циклов разработан нормативный документ ГОСТ «Лучи космические солнечные. Модель потоков протонов». На основе этого документа, а также с использованием ряда других ГОСТ-ов и Методических указаний по проблеме «Безопасность радиационная экипажа космического аппарата в космическом полете» (БРЭКАКП) проводили расчеты эквивалентной дозы в теле космонавтов от СКЛ при осуществлении полета к Марсу, равноценной дозы и величин обобщенной дозы, используемой для расчетов радиационного риска. На основе анализа СПС 19 и 20-го солнечных циклов разработан нормативный документ ГОСТ «Лучи космические солнечные. Модель потоков протонов». На основе этого документа, а также с использованием ряда других ГОСТ-ов и Методических указаний по проблеме «Безопасность радиационная экипажа космического аппарата в космическом полете» (БРЭКАКП) проводили расчеты эквивалентной дозы в теле космонавтов от СКЛ при осуществлении полета к Марсу, равноценной дозы и величин обобщенной дозы, используемой для расчетов радиационного риска. В промежутках между воздействиями после i-1 события обобщенная доза Н Б (t) уменьшается в связи с реализацией восстановительных процессов по экспоненциальному закону: В промежутках между воздействиями после i-1 события обобщенная доза Н Б (t) уменьшается в связи с реализацией восстановительных процессов по экспоненциальному закону: скл скл скл скл H Б (t) = H Б (ti-1) exp [- β (t - ti-1)] H Б (t) = H Б (ti-1) exp [- β (t - ti-1)] После реализации i-го события обобщенная доза возрастает на величину обобщенной дозы от этого события: После реализации i-го события обобщенная доза возрастает на величину обобщенной дозы от этого события: скл скл скл скл скл скл H Б (ti ) = H Б (ti-1) exp[- β (ti - ti-1)] + H Б (ti) H Б (ti ) = H Б (ti-1) exp[- β (ti - ti-1)] + H Б (ti)