Wie die NASA die Astronauten von morgen vor Weltraumstrahlung schützen könnte

Thier sind , ob es von oder ist , oder . Und ist der Tod durch Strahlung.

Die gleichen energetischen Emissionen von unserem lokalen Stern, die Ihnen eine Bräunungsdose geben wenn nicht . Während die heutige Besatzung und die Frachtkapseln im erdnahen Orbit möglicherweise nicht mit eigenen Miniatur-Magnetosphären ausgestattet sind, könnten die von morgen – oder vielleicht schützen wir einfach die ersten Weltraumforscher der Menschheit vor interstellarer Strahlung durch .

Arten von Strahlung und was man dagegen tun kann

Wie bei Schlaganfällen und Menschen gibt es verschiedene Arten und Quellen von Strahlung sowohl auf der Erde als auch im Weltraum. Nicht-ionisierende Strahlung, was bedeutet, dass das Atom nicht genug Energie hat, um ein Elektron vollständig aus seiner Umlaufbahn zu entfernen, kann in Mikrowellen, Glühbirnen und Solarenergetischen Teilchen (SEP) wie gefunden werden. Während diese Strahlungsformen Materialien und biologische Systeme schädigen können, können ihre Auswirkungen normalerweise blockiert (daher Sonnenschutzmittel und Mikrowellen, die nicht ganze Küchen bestrahlen) oder durch die Ozonschicht oder abgeschirmt werden.

Die Strahlungsgürtel der Erde sind mit energiereichen Partikeln gefüllt, die vom Magnetfeld der Erde eingefangen werden und verheerende Schäden an der Elektronik anrichten können, die wir in den Weltraum schicken. Credits: Scientific Visualization Studio der NASA/Tom Bridgman

Ionisierende Strahlung hingegen ist energiereich, um ein Elektron abzustoßen, und es gibt nicht viel, was ihren positiv geladenen Impuls verlangsamen kann. Alpha- und Beta-Partikel, Gammastrahlen, Röntgenstrahlen und galaktische kosmische Strahlen, „schwere, hochenergetische Ionen von Elementen, denen alle Elektronen entzogen wurden, als sie mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch die Galaxie reisten“. . „GCR sind eine dominante Strahlungsquelle, die an Bord aktueller Raumfahrzeuge und zukünftiger Weltraummissionen in unserem Sonnensystem behandelt werden muss.“ Die GCR-Intensität ist umgekehrt proportional zur relativen Stärke des Magnetfelds der Sonne, was bedeutet, dass sie am stärksten sind, wenn das Feld der Sonne am schwächsten ist und sie am wenigsten ablenken kann.

Trotz ihrer unterschiedlichen Natur sind sowohl GCR als auch SEP zusammen mit unseren biologischen Körpern selbst. Ihr fortgesetztes Bombardement hat eine kumulative negative Wirkung auf die menschliche Physiologie und führt nicht nur zu Krebs, sondern auch zu grauem Star, neurologischen Schäden, Keimbahnmutationen und akuter Strahlenkrankheit, wenn die Dosis hoch genug ist. Bei Materialien können hochenergetische Partikel und Photonen „vorübergehende Schäden oder dauerhafte Ausfälle von Materialien oder Geräten von Raumfahrzeugen verursachen“, stellt Zicai Shen vom Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering im Jahr 2019 fest .

„Geladene Teilchen verlieren allmählich Energie, wenn sie das Material passieren, und fangen schließlich eine ausreichende Anzahl von Elektronen ein, um anzuhalten“, fügten sie hinzu. „Wenn die Dicke des Abschirmmaterials größer ist als die Reichweite eines geladenen Teilchens im Material, werden die einfallenden Teilchen im Material blockiert.“

Wie die NASA derzeit ihre Astronauten schützt

Um sicherzustellen, dass die Astronauten von morgen mit intakten Zähnen und Fingernägeln auf dem Mars ankommen, hat die NASA fast vier Jahrzehnte damit verbracht, Daten zu sammeln und die Auswirkungen der Strahlung auf den menschlichen Körper zu untersuchen. Die der Agentur (SRAG) am Johnson Space Center ist laut seiner Website „dafür verantwortlich, dass die Strahlenbelastung der Astronauten darunter bleibt "

, „Die typische durchschnittliche Dosis für eine Person beträgt etwa 360 mrems pro Jahr oder 3.6 mSv, was eine kleine Dosis ist. Internationale Standards erlauben jedoch eine Exposition von bis zu 5,000 mrems (50 mSv) pro Jahr für diejenigen, die mit und in der Nähe von radioaktivem Material arbeiten. Für die Raumfahrt ist die Grenze höher. Der NASA-Grenzwert für die Strahlenbelastung im erdnahen Orbit beträgt 50 mSv/Jahr oder 50 rem/Jahr.“

Die Space Environment Officers (SEOs) von SRAG haben die Aufgabe sicherzustellen, dass die Astronauten ihre Mission erfolgreich abschließen können, ohne zu viele RADs zu absorbieren. Sie berücksichtigen die verschiedenen Umwelt- und Situationsfaktoren, die während eines Raumflugs vorhanden sind – ob sich die Astronauten in LEO oder auf der Mondoberfläche befinden, ob sie im Raumfahrzeug bleiben oder einen Weltraumspaziergang machen, oder – kombinieren und modellieren diese Informationen mit den gesammelten Daten und auch der , um ihre Entscheidungen zu treffen.

Das im Goddard Space Flight Center, dient fast demselben Zweck wie SRAG, jedoch für mechanische Systeme, und arbeitet an der Entwicklung einer effektiveren Abschirmung und robusterer Materialien für den Einsatz im Orbit.

„Wir werden in der Lage sein sicherzustellen, dass Menschen, Elektronik, Raumfahrzeuge und Instrumente – alles, was wir tatsächlich in den Weltraum schicken – in der Umgebung, in die wir es bringen, überleben werden“, sagte Megan Casey, eine Luft- und Raumfahrtingenieurin bei der REAG, in a . „Je nachdem, wohin sie gehen, teilen wir den Missionsdesignern mit, wie ihre Weltraumumgebung aussehen wird, und sie kommen mit ihren Instrumentenplänen zu uns zurück und fragen: ‚Werden diese Teile dort überleben?' Die Antwort ist immer ja, nein oder ich weiß nicht. Wenn wir es nicht wissen, führen wir zusätzliche Tests durch. Das ist der Großteil unserer Arbeit.“

Die Forschung der NASA wird während der bevorstehenden Ära der Artemis-Mission fortgesetzt und erweitert. , werden sowohl die SLS-Rakete als auch das Orion-Raumschiff mit Sensoren ausgestattet, die die Strahlungspegel im tiefen Weltraum jenseits des Mondes messen – insbesondere mit Blick auf die Unterschiede in den relativen Pegeln jenseits der Van-Allen-Gürtel der Erde. Die gesammelten Daten und Lehren aus diesen ersten unbemannten Flügen werden den NASA-Ingenieuren helfen, in Zukunft bessere und besser geschützte Raumfahrzeuge zu bauen.

Und sobald es schließlich gebaut wird, Besatzungen an Bord wird eine umfangreiche Strahlungssensor-Suite unterhalten, einschließlich der , das entwickelt wurde, um die Pegel innerhalb der Station sorgfältig und kontinuierlich zu messen, während sie ihre einwöchige längliche Umlaufbahn um den Mond macht.

„Das Verständnis der Auswirkungen der Strahlungsumgebung ist nicht nur entscheidend für das Bewusstsein für die Umgebung, in der Astronauten in der Nähe des Mondes leben werden, sondern es wird auch wichtige Daten liefern, die verwendet werden können, wenn sich die NASA auf noch größere Unternehmungen wie das Senden des Mondes vorbereitet ersten Menschen zum Mars“, sagte Dina Contella, Managerin für Gateway Mission Integration and Utilization .

Die NASA könnte in Zukunft magnetische Blasen verwenden

Die Wanderungen von morgen in den interplanetaren Raum, wo GCR und SEP weiter verbreitet sind, werden einen umfassenderen Schutz erfordern, als der gegenwärtige Stand der Technik passive Abschirmmaterialien und Weltraumwettervorhersagen liefern können. Und da sich die erdeigene Magnetosphäre als so praktisch erwiesen hat, haben Forscher mit der Europäischen Kommission zusammengearbeitet (CORDIS) haben geforscht, einen solchen zu entwickeln, der klein genug ist, um auf ein Raumschiff zu passen, der als Space Radiation Supraconductor Shield (SR2S) bezeichnet wird.

Das 2.7 Millionen Euro teure SR2S-Programm, das von 2013 bis 2015 lief, erweiterte die Idee, supraleitende Magnete zu verwenden, um ein strahlungsstoppendes magnetisches Kraftfeld zu erzeugen, das erstmals 1969 vom ehemaligen Nazi-Luftfahrtingenieur Wernher von Braun entwickelt wurde mehr als 3,000-mal konzentrierter sein als die, die die Erde umkreist, und sich in einer 10-Meter-Kugel ausdehnen würde.

„Im Rahmen des Projekts werden wir in den kommenden Monaten eine Rennbahnspule testen, die mit einem supraleitenden MgB2-Band umwickelt ist“, sagte Bernardo Bordini, Koordinator der CERN-Aktivitäten im Rahmen des SR2S-Projekts. . „Die Prototypspule wurde entwickelt, um die Wirksamkeit der supraleitenden magnetischen Abschirmungstechnologie zu quantifizieren.“

Es würde nicht die gesamte einfallende Strahlung blockieren, aber die schädlichsten Arten wie GCR, die wie Wasser durch ein Sieb durch eine passive Abschirmung fließen, effizient abschirmen. Indem die Rate gesenkt wird, mit der Astronauten Strahlung ausgesetzt sind, können sie mehr und längere Missionen durchführen, bevor sie die lebenslange Expositionsgrenze der NASA erreichen.

„Da die Magnetosphäre kosmische Strahlen ablenkt, die auf die Erde gerichtet sind, würde das Magnetfeld, das von einem supraleitenden Magneten erzeugt wird, der das Raumschiff umgibt, die Besatzung schützen“, sagte Dr. Riccardo Musenich, wissenschaftlicher und technischer Leiter des Projekts im Jahr 2014. „SR2S ist das erste Projekt, das nicht nur die Prinzipien und die wissenschaftlichen Probleme (der magnetischen Abschirmung) untersucht, sondern sich auch den komplexen Fragestellungen der Ingenieurwissenschaften stellt.“

Zwei supraleitende Spulen wurden bereits aufgebaut und getestet, um leichte Magnete zu bauen, aber das ist sehr vorläufige Forschung, wohlgemerkt. Das CORDIS-Team geht nicht davon aus, dass diese Technologie es erst in ein paar Jahrzehnten ins All schaffen wird.

Forscher vom Department of Astronomy der University of Wisconsin-Madison haben sich kürzlich daran gemacht, ihre eigene Version der CORDIS-Idee zu entwickeln. Ihr (CREW HaT)-Projekt, das im Februar eine Prototyping-Finanzierung aus dem Innovative Advanced Concepts (NIAC)-Programm der NASA erhielt, verwendet „neue supraleitende Bandtechnologie, ein einsetzbares Design und eine neue Konfiguration für ein Magnetfeld, das zuvor noch nicht erforscht wurde“. Laut der außerordentlichen Professorin und Forschungsleiterin der UWM, Dr. Elena D'Onghia im Mai.

„Die HaT-Geometrie wurde in diesem Zusammenhang noch nie zuvor erforscht oder in Kombination mit modernen supraleitenden Bändern untersucht“, sagte sie in . „Es lenkt über 50 Prozent der biologisch schädlichen kosmischen Strahlung (Protonen unter 1 GeV) und hochenergetischen Hoch-Z-Ionen ab. Dies reicht aus, um die von Astronauten absorbierte Strahlendosis auf ein Niveau zu reduzieren, das weniger als 5 Prozent des von der NASA festgelegten lebenslangen Exzessrisikos für Krebssterblichkeit beträgt.“

Oder Astronauten könnten bleierne Westen tragen, um ihre Intimsphäre zu schützen

Aber warum sich die Mühe machen, ein ganzes Raumschiff magnetisch einzukapseln, wenn es in Wirklichkeit nur eine Handvoll Torsi und Köpfe sind, die den Schutz benötigen? Das ist die Idee dahinter (STUTE).

Zwei der MARE-Westen, die in Zusammenarbeit mit der Israel Space Agency (ISA) und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelt wurden, werden an identischen Mannequins befestigt und an Bord der unbemannten Mondmission Orion ins All gebracht. Auf ihrem dreiwöchigen Flug werden die Mannequins mit den Namen Helga und Zohar etwa 280,000 Meilen von der Erde entfernt und Tausende von Meilen am Mond vorbeifliegen. Ihr Inneres ist so gestaltet, dass es menschliche Knochen und Weichgewebe nachahmt, sodass Forscher die spezifische Strahlendosis messen können, der sie ausgesetzt sind.

Seine Schwesterstudie an Bord der ISS, die (CHARGE) konzentriert sich weniger auf die Anti-Strahlungs-Wirksamkeit der Weste als vielmehr auf die Ergonomie, Passform und das Tragegefühl, wenn Astronauten ihren täglichen Aufgaben nachgehen. Die Europäische Weltraumorganisation untersucht auch die kleidungsbasierte Strahlenabschirmung mit dem , ein „Notfallgerät, das darauf abzielt, Astronauten vor intensiver Sonneneinstrahlung zu schützen, wenn sie bei zukünftigen Deep-Space-Missionen aus der Magnetosphäre reisen“.

Oder wir kleiden die Schiffsrümpfe mit Wasser und Kot aus!

Ein glücklicher Mittelweg zwischen dem Unbehagen beim Tragen einer bleihaltigen Schürze in der Mikrogravitation und der existenziellen Sorge, dass Ihre Synapsen möglicherweise von einem starken Elektromagneten durcheinander gebracht werden, ist bekannt als .

„Die Natur verwendet keine Kompressoren, Verdampfer, Lithiumhydroxid-Kanister, Sauerstoffkerzen oder Urinprozessoren“, argumentierte Marc M. Cohen Arch.D. in dem Papier von 2013 . „Bei sehr langem Betrieb – wie in einem interplanetaren Raumfahrzeug, einer Raumstation oder einer Mond-/Planetenbasis – neigen diese aktiven elektromechanischen Systeme dazu, störanfällig zu sein, da die kontinuierlichen Arbeitszyklen die Wartung erschweren.“

Anstatt sich also auf schwere und komplizierte Mechanisierungen zu verlassen, um die Abfallstoffe zu verarbeiten, die Astronauten während einer Mission ausstoßen, verwendet dieses System Osmosebeutel, die die passiven Mittel der Natur zur Wasserreinigung nachahmen. Neben der Behandlung von Grau- und Schwarzwasser könnten diese Beutel auch angepasst werden, um CO2 aus der Luft zu entfernen, Algen für Nahrung und Treibstoff zu züchten und gegen die Innenhülle eines Raumfahrzeugs ausgekleidet werden, um eine überlegene passive Abschirmung gegen hochenergetische Partikel zu bieten.

„Wasser ist für den [Strahlen-]Schutz besser als Metalle“, sagte Marco Durante von der Technischen Universität Darmstadt in Deutschland . Dies liegt daran, dass der dreiatomige Kern eines Wassermoleküls mehr Masse enthält als ein Metallatom und daher GCR und andere hochenergetische Strahlen wirksamer blockiert, fuhr er fort.

Die Crew an Bord der geplanten Inspiration Mars-Mission, die zwei private Astronauten in einem spektakulären Vorbeiflug um den Mars herumgeschleudert hätte, während die beiden Planeten 2018 in ihrer nächsten Umlaufbahn waren. Davon haben Sie nichts gehört, weil ging 2015 stillschweigend unter. Aber hatten sie dieses Kunststück irgendwie geschafft, war geplant, dass die Astronauten in Beutel kacken, die Flüssigkeit zur Wiederverwendung aussaugen und dann die vakuumversiegelten Scheißziegel an die Wände des Raumfahrzeugs stapeln – neben ihren Kisten von Lebensmitteln – als Strahlenschutz dienen.

„Es hört sich ein bisschen unangenehm an, aber es gibt keinen Platz für dieses Material, und es bietet eine hervorragende Strahlenabschirmung“, sagte Taber MacCallum, ein Mitglied der von Dennis Tito finanzierten gemeinnützigen Organisation New Scientist. „Lebensmittel werden rund um die Wände des Raumfahrzeugs gelagert, weil Lebensmittel ein guter Strahlenschutz sind.“ Es ist nur ein kurzer Ausflug zum nächsten Planeten, wer braucht schon Wasser und Nahrung?