Wie Weltraumstrahlung funktioniert – und warum sie Astronauten bedroht

Die unsichtbare Barriere zum tiefen Weltraum

Das Magnetfeld der Erde wirkt wie ein riesiges Kraftfeld und lenkt die meisten geladenen Teilchen ab, die durch das Sonnensystem rasen. Astronauten an Bord der Internationalen Raumstation profitieren weiterhin von einem teilweisen magnetischen Schutz in der niedrigen Erdumlaufbahn. Aber sobald ein Raumschiff diesen Kokon verlässt – wie die Besatzung von Artemis II bei ihrem Vorbeiflug am Mond –, sind seine Insassen der vollen Wucht des Kosmos ausgesetzt. Weltraumstrahlung gilt weithin als das größte Gesundheitsrisiko für Missionen jenseits der niedrigen Erdumlaufbahn, und ihre Bewältigung bleibt eines der schwierigsten Probleme der bemannten Raumfahrt.

Drei Bedrohungen, drei Zeitskalen

Weltraumstrahlung gibt es in drei verschiedenen Varianten, die jede auf ihre Weise gefährlich ist.

Van-Allen-Gürtel

Die Erde ist von ringförmigen Zonen eingefangener Elektronen und Protonen umgeben, den sogenannten Van-Allen-Gürteln. Raumschiffe müssen sie auf dem Hin- und Rückweg durchqueren. Die Exposition ist intensiv, aber kurz – der Transit dauert nur Minuten bis Stunden –, sodass Missionsplaner das Risiko minimieren können, indem sie die schnellste Flugbahn durch den dünnsten Teil der Gürtel wählen.

Solare Teilchenereignisse

Die Sonne bricht periodisch in heftigen Ausbrüchen aus, die Ströme hochenergetischer Protonen in den Weltraum schleudern. Diese solaren Teilchenereignisse (SPEs) sind intermittierend und unvorhersehbar, aber wenn sie auftreten, können die Dosisleistungen innerhalb von Stunden auf gefährliche Werte ansteigen. Ein großes SPE während eines ungeschützten Weltraumspaziergangs könnte eine potenziell tödliche Dosis abgeben. NASA und NOAA überwachen die Sonnenaktivität rund um die Uhr mit dem Solar Dynamics Observatory, dem Solar and Heliospheric Observatory und anderen Raumschiffen, um die Besatzungen frühzeitig zu warnen.

Galaktische kosmische Strahlung

Die heimtückischste Bedrohung geht von der galaktischen kosmischen Strahlung (GCRs) aus – Atomkerne, die durch ferne Supernova-Explosionen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. GCRs bilden einen konstanten, niedrig dosierten Hintergrund, der sich nie abschaltet. Darunter befinden sich Hochenergie-Teilchen mit hoher Ladung (HZE) – Eisenkerne und andere schwere Ionen, die wie eine Kugel durch Seidenpapier durch die DNA rasen und dichte Spuren molekularer Schäden hinterlassen, die Zellen nur schwer reparieren können.

Warum Abschirmung allein nicht funktioniert

Bei solaren Teilchenereignissen hilft es erheblich, die Masse des Raumschiffs zu erhöhen. Artemis-II-Astronauten können beispielsweise ihre Kabine umkonfigurieren, indem sie gelagerte Ausrüstung neu positionieren, um einen improvisierten Strahlungsschutzraum zu schaffen. Aber bei galaktischer kosmischer Strahlung wird die Abschirmung paradox. Wenn ein hochenergetisches schweres Ion gegen eine Metallwand prallt, kann es in einen Schauer sekundärer Teilchen zerfallen – einschließlich Neutronen –, die möglicherweise noch mehr biologische Schäden verursachen als das ursprüngliche Teilchen. Laut NASA-Forschung würde die Masse der Abschirmung, die erforderlich ist, um die GCR-Exposition auf einer Mars-Mission sinnvoll zu reduzieren, jede realistische Startkapazität übersteigen.

Was Strahlung mit dem Körper macht

Das Space Radiation Element der NASA identifiziert vier primäre gesundheitliche Bedenken:

• Krebs: Ionisierende Strahlung schädigt die DNA direkt oder erzeugt freie Radikale, die sie angreifen. HZE-Teilchen verursachen komplexe, gehäufte DNA-Brüche, die schwieriger korrekt zu reparieren sind, was das langfristige Risiko der Tumorbildung erhöht.
• Auswirkungen auf das zentrale Nervensystem: Tierstudien zeigen, dass kosmische strahlungsähnliche Teilchen das Gedächtnis, die Entscheidungsfindung und die Stimmung beeinträchtigen können – was Bedenken hinsichtlich der Leistung der Besatzung bei jahrelangen Missionen aufwirft.
• Degenerative Erkrankungen: Katarakte, Herz-Kreislauf-Schäden und beschleunigte Gewebealterung wurden alle mit Weltraumstrahlung in Verbindung gebracht.
• Akute Strahlenkrankheit: Ein großes solares Teilchenereignis ohne angemessenen Schutz könnte Übelkeit, Immunsuppression und in extremen Fällen den Tod verursachen.

Wie die NASA das Risiko misst

Die Strahlenexposition ist keine einzelne Zahl. Dosisleistung, Teilchentyp, Richtung und Abschirmung spielen alle eine Rolle. Die NASA verwendet das Hybrid Electronic Radiation Assessor (HERA)-System an Bord von Orion, das sechs Sensoren verwendet, um die Dosisleistungen in der gesamten Kabine in Echtzeit zu messen. Astronauten tragen auch persönliche Dosimeter. Am Boden simuliert das NASA Space Radiation Laboratory am Brookhaven National Laboratory kosmische Strahlung, indem es Schwerionenstrahlen auf biologische Proben und Abschirmmaterialien abfeuert und so die Risikomodelle erstellt, die bestimmen, wie lange zukünftige Besatzungen sicher im tiefen Weltraum bleiben können.

Der Weg nach vorn

Für eine zehntägige Mondmission wie Artemis II ist die erwartete Dosis – ungefähr äquivalent zu einer Ganzkörper-CT-Untersuchung – überschaubar. Aber eine zwei- bis dreijährige Marsmission verändert die Rechnung völlig. Forscher untersuchen biologische Gegenmaßnahmen, darunter Medikamente, die die DNA-Reparatur ankurbeln oder freie Radikale abfangen. Andere untersuchen aktive magnetische Abschirmungen, die geladene Teilchen so ablenken könnten, wie es das Erdmagnetfeld tut, obwohl die technischen Herausforderungen immens bleiben. Bis diese Lösungen ausgereift sind, wird die Weltraumstrahlung der unsichtbare Türsteher bleiben, der zwischen der Menschheit und dem tieferen Sonnensystem steht.