Źródło zdjęcia: NASA
NASA ma zagadkę do rozwiązania: czy ludzie mogą udać się na Marsa, czy nie?
„To kwestia promieniowania”, mówi Frank Cucinotta z NASA Space Radiation Health Project w Johnson Space Center. „Wiemy, ile promieniowania jest na zewnątrz, czekając na nas między Ziemią a Marsem, ale nie jesteśmy pewni, jak ludzkie ciało zareaguje na to”.
Astronauci z NASA są w przestrzeni kosmicznej od 45 lat. Z wyjątkiem kilku krótkich podróży na Księżyc, nigdy nie spędzili dużo czasu z dala od Ziemi. Głęboka przestrzeń wypełniona jest protonami z rozbłysków słonecznych, promieniami gamma z nowonarodzonych czarnych dziur i promieniami kosmicznymi z wybuchających gwiazd. Długa podróż na Marsa, w pobliżu której nie ma dużej planety blokującej lub odchylającej to promieniowanie, będzie nową przygodą.
NASA waży zagrożenie promieniowaniem w jednostkach ryzyka raka. Zdrowy 40-letni amerykański niepalący mężczyzna ma (ogromną) 20% szansę na śmierć w wyniku raka. Tak, jeśli zostanie na Ziemi. Jeśli pojedzie na Marsa, ryzyko wzrasta.
Pytanie brzmi: ile?
„Nie jesteśmy pewni”, mówi Cucinotta. Według badań przeprowadzonych w 2001 r. Wśród osób narażonych na duże dawki promieniowania - np. Osób, które przeżyły bomby atomowe w Hiroszimie i, jak na ironię, pacjentów z rakiem, którzy zostali poddani radioterapii - dodatkowe ryzyko 1000-dniowej misji Marsa leży w przedziale od 1% do 19% . „Najbardziej prawdopodobna odpowiedź to 3,4%”, mówi Cucinotta, „ale słupki błędów są szerokie”.
Szanse są jeszcze gorsze dla kobiet, dodaje. „Ze względu na piersi i jajniki ryzyko dla astronautek jest prawie dwukrotnie większe niż u mężczyzn”.
Badacze, którzy przeprowadzili badanie, założyli, że statek Marsa zostanie zbudowany „głównie z aluminium, jak stary moduł dowodzenia Apollo”, mówi Cucinotta. Skóra statku kosmicznego pochłonęłaby około połowę promieniowania uderzającego w nią.
„Jeśli dodatkowe ryzyko wynosi tylko kilka procent? mamy się dobrze. Możemy zbudować statek kosmiczny z aluminium i udać się na Marsa. ” (Aluminium jest ulubionym materiałem do budowy statków kosmicznych, ponieważ jest lekki, mocny i znany inżynierom od wielu dziesięcioleci zastosowania w przemyśle lotniczym.)
„Ale jeśli to 19%? nasz 40-letni astronauta miałby 20% + 19% = 39% szans na rozwój raka kończącego życie po powrocie na Ziemię. To nie do przyjęcia. ”
Nie bez powodu słupki błędów są duże, mówi Cucinotta. Promieniowanie kosmiczne jest unikalną mieszanką promieni gamma, wysokoenergetycznych protonów i promieni kosmicznych. Wybuchy bomby atomowej i leczenie raka, będące podstawą wielu badań, nie zastąpią „prawdziwych”.
Największym zagrożeniem dla astronautów w drodze na Marsa są galaktyczne promienie kosmiczne - w skrócie „GCR”. Są to cząstki przyspieszane do prawie prędkości światła przez odległe wybuchy supernowych. Najbardziej niebezpiecznymi GCR są ciężkie zjonizowane jądra, takie jak Fe + 26. „Są znacznie bardziej energiczne (miliony MeV) niż typowe protony przyspieszane przez rozbłyski słoneczne (dziesiątki do setek MeV)”, zauważa Cucinotta. GCR przebijają się przez skórę statków kosmicznych i ludzi takich jak małe kule armatnie, niszczących nici cząsteczek DNA, uszkadzających geny i zabijających komórki.
Astronauci rzadko doświadczyli pełnej dawki tych GCR w kosmosie. Rozważmy Międzynarodową Stację Kosmiczną (ISS): okrąża ona zaledwie 400 km nad powierzchnią Ziemi. Nadciągające wielkie ciało naszej planety przechwytuje około jednej trzeciej GCR zanim dotrą do ISS. Kolejna jedna trzecia jest odchylana przez pole magnetyczne Ziemi. Astronauci promu kosmicznego korzystają z podobnych redukcji.
Astronauci Apollo podróżujący na Księżyc pochłonęli większe dawki - około 3 razy więcej niż poziom ISS - ale tylko przez kilka dni podczas rejsu Ziemia-Księżyc. GCR mogły uszkodzić oczy, zauważa Cucinotta. W drodze na Księżyc, załogi Apollo zgłosiły widzenie błysków promienia kosmicznego w ich siatkówkach, a teraz, wiele lat później, niektóre z nich rozwinęły zaćmę. W przeciwnym razie nie ucierpieliby zbytnio. „Kilka dni na zewnątrz jest prawdopodobnie bezpieczne”, podsumowuje Cucinotta.
Ale astronauci podróżujący na Marsa będą „tam” przez rok lub dłużej. „Nie możemy jeszcze wiarygodnie oszacować, co zrobią nam promienie kosmiczne, gdy będziemy tak długo narażeni” - mówi.
Odkrywanie to jest misją nowego NASA Space Radiation Laboratory (NSRL), zlokalizowanego w Brookhaven National Laboratory w amerykańskim Departamencie Energii w Nowym Jorku. Został otwarty w październiku 2003 r. „W NSRL mamy akceleratory cząstek, które mogą symulować promienie kosmiczne”, wyjaśnia Cucinotta. Naukowcy wystawiają komórki i tkanki ssaków na wiązki cząstek, a następnie badają uszkodzenia. „Celem jest zmniejszenie niepewności w naszych szacunkach ryzyka do zaledwie kilku procent do 2015 r.”
Gdy znane jest ryzyko, NASA może zdecydować, jaki rodzaj statku kosmicznego zbudować. Możliwe, że zwykłe materiały budowlane, takie jak aluminium, są wystarczająco dobre. Jeśli nie, „już zidentyfikowaliśmy kilka alternatyw”, mówi.
Co powiesz na statek kosmiczny wykonany z plastiku?
„Tworzywa sztuczne są bogate w wodór - pierwiastek, który dobrze pochłania promienie kosmiczne”, wyjaśnia Cucinotta. Na przykład, polietylen, ten sam materiał, z którego wykonane są worki na śmieci, pochłania o 20% więcej promieni kosmicznych niż aluminium. Forma wzmocnionego polietylenu opracowana w Marshall Space Flight Center jest 10 razy mocniejsza niż aluminium, a także lżejsza. To może stać się materiałem z wyboru do budowy statku kosmicznego, jeśli można go zrobić wystarczająco tanio. „Nawet jeśli nie zbudujemy całego statku kosmicznego z plastiku”, zauważa Cucinotta, „nadal moglibyśmy użyć go do ochrony kluczowych obszarów, takich jak kwatery załogi”. Rzeczywiście, jest to już zrobione na pokładzie ISS.
Jeśli plastik nie jest wystarczająco dobry, może być wymagany czysty wodór. Funt za funt, ciekły wodór blokuje promienie kosmiczne 2,5 razy lepiej niż aluminium. Niektóre zaawansowane konstrukcje statków kosmicznych wymagają dużych zbiorników ciekłego paliwa wodorowego, więc „moglibyśmy chronić załogę przed promieniowaniem, owijając zbiornik paliwa wokół ich przestrzeni życiowej”, spekuluje Cucinotta.
Czy ludzie mogą jechać na Marsa? Cucinotta tak uważa. Ale najpierw „musimy dowiedzieć się, ile promieniowania może obsłużyć nasze ciało i jaki statek kosmiczny musimy zbudować”. W laboratoriach w całym kraju prace już się rozpoczęły.
Oryginalne źródło: NASA Science Story
