Космос на первый взгляд может казаться очень спокойным и умиротворенным местом, однако это впечатление является обманчивым. Космическая среда очень сурова и содержит в себе больше опасностей, чем самые опасные места на Земле. И одной из важнейших опасностей, как вы уже могли догадаться, является невидимая радиация, которая не только может угрожать жизни космических энтузиастов, но и выводит со временем из строя даже самое современное оборудование.

Такому риску подвержено любое активно работающее в космосе оборудование: МКС, спутники и даже «сорвиголова» и ловец астероидов, космический зонд «Розетта», о котором мы вам недавно сообщали. Факт губительного влияния радиации на все живое и неживое создает множество проблем людям, отвечающим за создание космического оборудования, на которое уходит огромное количество денег.

И все-таки, помимо риска столкновения с другими объектами, в космосе имеются четыре основные опасности для электронного оборудования: вакуумная среда, изменчивая экстремальная температура, микрометеориты и радиационное излучение.

Температурные колебания в космосе могут быть просто невообразимыми. Например, если человек находится в открытом космосе и расположен к Солнцу спиной, а лицом от него, то температурные различия в этом случае могут составлять аж 136 градусов Цельсия. Сила вакуума в космосе тоже играет свою разрушительную роль и может уничтожить любой находящийся в нем незащищенный объект. Однако даже невероятные температурные изменения и тот же вакуум могут представлять не такую серьезную опасность и легко могут наблюдаться и контролироваться специальным оборудованием.

Приближение микрометеоритов очень сложно предсказать, но, к счастью, они очень редки. Главнейшей проблемой космоса, которая вызывает наибольший ущерб оборудованию, является постоянный поток излучения, состоящий из высокоэнергетических частиц. Эти частицы наносят очень серьезные повреждения электронике, которая в результате со временем становится менее надежной и в конце концов окончательно выходит из строя.

В космосе имеется три основных источника излучения. Первый источник состоит из галактических и внегалактических частиц. Эти частицы могут содержать в себе огромное количество энергии. Представьте, что энергия, содержащаяся в обычном протоне, эквивалентна энергии «упавшему на палец кирпичу». Вторым источником излучения являются солнечные частицы, формирующие и выбрасываемые Солнцем солнечные ветра. Эти частицы содержат в себе меньше энергии, но их намного больше. Третьим источником излучения являются так называемые «захваченные частицы». Захваченные геомагнитным полем, эти частицы образуют невидимую оболочку вокруг планет. Сила этих оболочек может быть эквивалентна силе магнитного поля. Такого, как, например, имеет наша Земля. Два последних источника излучения изменяются в соответствии с солнечной активностью, циклом которой являются каждые 11 лет.

Эффекты, вызываемые большинством энергетически заряженных частиц, обычно классифицируют как «одиночные случайные эффекты». Эти частицы даже способны вызывать «синий экран смерти». Вызываемые повреждения способны изменять значения, хранящиеся в памяти или процессорах цифровых устройств, препятствуя выполнению команд на самых базовых уровнях. Одним из способов, который позволит бороться с такими повреждениями, является использование большого количества ячеек памяти, где сразу в нескольких из них будут храниться одинаковые значения, которые будут постоянно между собой сравниваться и изменяться только при одновременных изменениях в значениях на общем уровне.

Постепенное накопление повреждений от высокоэнергетических частиц у приборов с зарядовой связью, например, в цифровых камерах, тоже вызывает у ученых немало вопросов о том, как же с ним бороться. При проведении научных работ требуется высокая точность, и любое, даже самое легкое повреждение таких камер может исказить получаемые от них данные. Простым примером подобных повреждений может являться видео ниже, записанное астронавтом Крисом Хэдфилдом на борту Международной космической станции. Если открыть видео в полноэкранном режиме и поставить наивысшее качество картинки, то в более темных сценах можно заметить белые или голубые точки. Эти точки образуются в результате повреждения оптического сенсора радиационным фоном. В результате получаемый сигнал образуется скорее вследствие температуры устройства, а не световыми частицами, формирующими изображение.

Несмотря на то, что экранирование компонентов может обеспечить эффективные превентивные меры от поражения электроники радиационным излучением, все компоненты этой электроники спрятать не удастся. Например, сенсорам и оптике камер необходимо оставаться открытыми просто для того, чтобы имелась возможность делать изображение. Кроме того, само по себе экранирование тоже может создавать радиационный фон. Когда высокоэнергетическая частица будет ударяться в экран, она будет выбивать из него обычную, но уже зараженную радиационным фоном частицу.

Иногда неожиданные радиационные эффекты могут проявляться в рамках целого космического корабля. Например, запущенная в 2002 году космическая рентгеновская обсерватория «Чандра» (Chandra X-Ray Observatory) была разработана таким образом, чтобы позволять протонам и ионам фокусироваться на датчики приборов с зарядовой связью через отражение от зеркал самого телескопа. Хуже всего здесь то, что протоны в результате этого рассредоточились по всему космическому аппарату и высвободили свою энергию. В результате каждый раз, когда «Чандра» пролетает через радиационный пояс Земли, эти протоны начинают наносить постепенно увеличивающийся ущерб всему телескопу.

Размытое изображение, полученное космическим телескопом «Хаббл». Слева находится первозданный снимок, справа — обработанное изображение после цифровой коррекции. В свое время очень сильное снижение эффективности космического телескопа ввиду воздействия на него радиации заставило отправиться к нему астронавтов для замены всех его датчиков

Несмотря на то, что ремонтировать эти датчики мы все-таки можем прямо на орбите, они уже никогда полностью не восстанавливаются и требуют полной замены. Тем не менее ученые уже разрабатывают новые методы, которые позволят бороться с такими радиационными повреждениями. Одним из таких методов является использование датчиков и сенсоров нового типа, которые захватывают изображения, создавая его из «дыр», оставляемых электронами в момент захвата изображения, вместо самих электронов. Другие методы захвата изображения учитывают негативное влияние излучения и производят соответствующие настройки оборудования.

Понимание принципа таких радиационных повреждений является очень серьезным вопросом, требующим очень внимательного рассмотрения, особенно если учесть, что для того, чтобы заглянуть дальше в космос, нам требуются более чувствительные камеры и телескопы. Например, в рамках программы Euclid (Евклид) Европейского космического агентства ученые пытаются определить наличие темной материи путем мониторинга едва заметных изменений в форме различных галактик.

Благодаря Альберту Эйнштейну нам известно, что свет, проходя мимо очень тяжелых объектов, может слегка преломляться или притягиваться в их сторону. Считается, что темная материя составляет около четверти всей массы Вселенной, поэтому задачей миссии «Евклид» будет обнаружение такого преломления/притягивания света, образуемого галактиками. Это преломление может быть настолько малозаметным, что если не брать в расчет воздействие на него радиационного излучения, то получаемые данные программы «Евклид» могут в конечном итоге быть искажены.

Другой интересной миссией Европейского космического агентства является программа JUICE (Jupiter Icy Moon Explorer), в рамках которой через 15 лет с этого момента вокруг Юпитера в течение семи последующих лет будет летать межпланетная автоматическая станция. Дело в том, что даже не долетев до планеты и не начав свою научную работу, датчики аппарата будут уже повреждены. Хуже всего здесь еще и то, что Юпитер притягивает к себе пояса радиационного излучения, состоящего из высокозаряженных электронов, что создает очень некомфортные условия для проведения там научных наблюдений.

Другими словами, если наука собирается проводить долговременные научные миссии и научные исследования, то жизненно важно постоянно усовершенствовать системы защиты от радиационного излучения, которое не щадит никого и ничего.