Jak działa promieniowanie kosmiczne – i dlaczego zagraża astronautom

Niewidzialna bariera dla głębokiego kosmosu

Ziemskie pole magnetyczne działa jak gigantyczne pole siłowe, odchylając większość naładowanych cząstek pędzących przez Układ Słoneczny. Astronauci na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej nadal korzystają z częściowej ochrony magnetycznej na niskiej orbicie okołoziemskiej. Ale w momencie, gdy statek kosmiczny wykracza poza ten kokon – jak załoga Artemis II podczas przelotu wokół Księżyca – jego pasażerowie stają w obliczu pełnej siły kosmosu. Promieniowanie kosmiczne jest powszechnie uważane za największe pojedyncze zagrożenie dla zdrowia podczas misji poza niską orbitę okołoziemską, a jego rozwiązanie pozostaje jednym z najtrudniejszych problemów w załogowych lotach kosmicznych.

Trzy zagrożenia, trzy skale czasowe

Promieniowanie kosmiczne występuje w trzech różnych postaciach, z których każda jest niebezpieczna na swój sposób.

Pasy Van Allena

Wokół Ziemi znajdują się strefy w kształcie pączków, w których uwięzione są elektrony i protony, zwane pasami Van Allena. Statek kosmiczny musi się przez nie przebić w drodze na zewnątrz i z powrotem. Ekspozycja jest intensywna, ale krótka – tranzyt zajmuje tylko od kilku minut do kilku godzin – więc planiści misji mogą zminimalizować ryzyko, wybierając najszybszą trajektorię przez najcieńszą część pasów.

Słoneczne Rozbłyski Cząstek

Słońce okresowo wybucha gwałtownymi rozbłyskami, które wyrzucają strumienie wysokoenergetycznych protonów w przestrzeń kosmiczną. Te słoneczne rozbłyski cząstek (SPE) są sporadyczne i nieprzewidywalne, ale kiedy uderzą, dawki promieniowania mogą wzrosnąć do niebezpiecznych poziomów w ciągu kilku godzin. Poważny SPE podczas nieosłoniętego spaceru kosmicznego mógłby dostarczyć potencjalnie śmiertelną dawkę. NASA i NOAA monitorują aktywność słoneczną przez całą dobę, korzystając z Obserwatorium Dynamiki Słońca, Obserwatorium Słonecznego i Heliosferycznego oraz innych statków kosmicznych, aby zapewnić załogom wczesne ostrzeżenie.

Galaktyczne Promieniowanie Kosmiczne

Najbardziej podstępne zagrożenie pochodzi z galaktycznego promieniowania kosmicznego (GCR) – jąder atomowych przyspieszonych do prędkości bliskiej prędkości światła przez odległe eksplozje supernowych. GCR tworzą stałe, niskodawkowe tło, które nigdy się nie wyłącza. Wśród nich znajdują się cząstki o wysokim ładunku i wysokiej energii (HZE) – jądra żelaza i inne ciężkie jony, które przedzierają się przez DNA jak pocisk przez bibułę, pozostawiając gęste ślady uszkodzeń molekularnych, które komórki z trudem naprawiają.

Dlaczego samo ekranowanie nie zadziała

W przypadku słonecznych rozbłysków cząstek dodanie masy do statku kosmicznego znacznie pomaga. Astronauci Artemis II mogą na przykład przekonfigurować swoją kabinę, zmieniając położenie przechowywanego sprzętu, aby stworzyć prowizoryczny schron przeciwradiacyjny. Ale w przypadku galaktycznego promieniowania kosmicznego ekranowanie staje się paradoksalne. Kiedy wysokoenergetyczny ciężki jon uderza w metalową ścianę, może rozpaść się na deszcz wtórnych cząstek – w tym neutronów – które mogą spowodować jeszcze większe uszkodzenia biologiczne niż pierwotna cząstka. Według badań NASA, masa ekranowania potrzebna do znaczącego zmniejszenia ekspozycji na GCR podczas misji na Marsa przekroczyłaby wszelkie realistyczne możliwości startowe.

Co promieniowanie robi z ciałem

Zespół ds. Promieniowania Kosmicznego NASA identyfikuje cztery główne problemy zdrowotne:

• Rak: Promieniowanie jonizujące uszkadza DNA bezpośrednio lub generuje wolne rodniki, które je atakują. Cząstki HZE powodują złożone, skupione pęknięcia DNA, które trudniej jest poprawnie naprawić, zwiększając długoterminowe ryzyko powstawania guzów.
• Wpływ na centralny układ nerwowy: Badania na zwierzętach pokazują, że cząstki podobne do promieniowania kosmicznego mogą upośledzać pamięć, podejmowanie decyzji i nastrój – budząc obawy o wydajność załogi podczas wieloletnich misji.
• Choroby zwyrodnieniowe: Zaćma, uszkodzenia układu krążenia i przyspieszone starzenie się tkanek zostały powiązane z ekspozycją na promieniowanie kosmiczne.
• Ostra choroba popromienna: Duży słoneczny rozbłysk cząstek bez odpowiedniego schronienia może powodować nudności, osłabienie odporności, a w skrajnych przypadkach śmierć.

Jak NASA mierzy ryzyko

Ekspozycja na promieniowanie to nie tylko jedna liczba. Ważna jest dawka, rodzaj cząstek, kierunek i ekranowanie. NASA używa systemu Hybrid Electronic Radiation Assessor (HERA) na pokładzie Oriona, który wykorzystuje sześć czujników do pomiaru dawek promieniowania w całej kabinie w czasie rzeczywistym. Astronauci noszą również osobiste dozymetry. Na Ziemi Laboratorium Promieniowania Kosmicznego NASA w Brookhaven National Laboratory symuluje promieniowanie kosmiczne, wystrzeliwując wiązki ciężkich jonów w próbki biologiczne i materiały ekranujące, budując modele ryzyka, które określą, jak długo przyszłe załogi mogą bezpiecznie przebywać w głębokim kosmosie.

Przyszłość

W przypadku dziesięciodniowej misji księżycowej, takiej jak Artemis II, oczekiwana dawka – z grubsza równoważna tomografii komputerowej całego ciała – jest do opanowania. Ale dwu- do trzyletnia misja na Marsa całkowicie zmienia kalkulacje. Naukowcy badają biologiczne środki zaradcze, w tym leki, które wzmacniają naprawę DNA lub usuwają wolne rodniki. Inni badają aktywne ekranowanie magnetyczne, które mogłoby odchylać naładowane cząstki tak, jak robi to ziemskie pole, chociaż wyzwania inżynieryjne pozostają ogromne. Dopóki te rozwiązania nie dojrzeją, promieniowanie kosmiczne pozostanie niewidzialnym strażnikiem stojącym między ludzkością a głębszym Układem Słonecznym.