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Gefährliche Weltraumstrahlung Bestmöglicher Schutz für bemannte Marsmissionen modelliert

Autor / Redakteur: Dr. Uta Deffke* / Christian Lüttmann

Was erwartet zukünftige Astronauten beim Flug zum Mars? Neben einem Eintrag in die Geschichtsbücher, vor allem viel gefährliche Weltraumstrahlung. Wie hoch die Belastung wäre und wie man die Mars-Crew bestmöglich vor der Strahlung schützen kann, zeigen Modellrechnungen eines internationalen Forscherteams.

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Am 18. Februar 2021 landete eine unbemannte Sonde mit dem Perseverance Rover auf dem Mars. Schon im kommenden Jahrzehnt könnte die erste bemannte Mission den Planeten erreichen. Dabei wird u. a. der Schutz vor gefährlicher Weltraumstrahlung eine wichtige Rolle spielen.
Am 18. Februar 2021 landete eine unbemannte Sonde mit dem Perseverance Rover auf dem Mars. Schon im kommenden Jahrzehnt könnte die erste bemannte Mission den Planeten erreichen. Dabei wird u. a. der Schutz vor gefährlicher Weltraumstrahlung eine wichtige Rolle spielen.
(Bild: NASA/JPL-Caltech (Hintergrund erweitert))

Potsdam, Moskau/Russland – Schon in 13 Jahren könnte es soweit seit: der erste Mensch auf dem Mars. China plant die erste bemannte Marsmission für 2033. Dass über ein halbes Jahrhundert nach der ersten bemannten Mondlandung immer noch niemand den Mars betreten hat, liegt nicht nur an dem gewaltigen technischen und logistischen Aufwand. Sondern vor allem an den Gefahren für die Besatzung, die auf der rund neun Monate langen Reise zum Mars lauern. Eine ständige Bedrohung ist beispielsweise die schädliche Strahlung.

Während Menschen auf der Erde und in erdnahen Umlaufbahnen durch den Planeten und sein Magnetfeld vor Weltraumstrahlung geschützt sind, stellt kosmische Strahlung für Reisen in den tieferen Weltraum ein erhebliches Risiko dar. Astronauten wären auf dem Flug zum Mars zwei Arten gefährlicher Strahlung ausgesetzt:

  • energiereiche Teilchen solaren Ursprungs (SEP), bei denen es sich hauptsächlich um positiv geladene Protonen handelt
  • galaktische kosmische Strahlung (GCR), die ebenfalls überwiegend aus Protonen besteht (84 %) sowie aus Alpha-Teilchen (bestehend aus zwei Protonen und zwei Neutronen, 14 %) und Elektronen (2 %)

Ein Schutz vor diesen Teilchen ist technisch sehr schwierig und aufwändig, weil sie mit sehr hohen Energien durch den Weltraum fliegen und daher tief in Materialien ein- bzw. sie auch durchdringen können. Im Material kann es zudem zu Streuprozessen kommen, bei denen neue, so genannte Sekundär-Teilchen erzeugt werden. Dieser hoch-energetische Teilchenmix kann sowohl in der menschlichen Haut als auch in inneren Organen Zellen schädigen.

Simulierter Strahlenschutz

Um abzuschätzen, wie stark Astronauten bei einer Reise zum Mars durch die Weltraumstrahlung belastet werden, haben Forscher um den Astrophysiker Prof. Yuri Shprits vom Geoforschungszentrum Potsdam (GFZ) verschiedene Strahlungssituationen und Schutzoptionen simuliert. Beteiligt waren neben den beiden Hauptautoren Shprits und seinem ehemaligen Doktorand Michail Dobynde vom Skoltech Moskau auch Kollegen vom MIT und der amerikanischen University of California.

Hierbei stützten sie sich auf Messungen der solaren Teilchen SEP aus den Jahren 1998 bis 2012. Für die galaktische Strahlung GCR nutzten sie ein empirisches Modell, in dem auch die Effekte des Sonnenzyklus berücksichtigt wurden.

Der Sonnenzyklus als Taktgeber der Strahlung

Zunächst ermittelten sie die Strahlungsumgebung für das Raumschiff, also Art und Energie der Partikel, denen es während seiner Mission ausgesetzt ist. Die Intensität der beiden Strahlungsarten variiert während des elfjährigen Sonnenzyklus, in dessen Verlauf sich das solare Magnetfeld umpolt. Dabei kommt es zu Sonneneruptionen, die intensive Strahlungsstöße (SEP) freisetzen. Eine genaue Vorhersage über Zeitpunkt, Stärke und Richtung dieser SEP-Strahlung ist zwar nicht möglich, man weiß aber, dass die Wahrscheinlichkeit und Intensität der solaren Strahlung auf dem Höhepunkt der Sonnenaktivität am größten ist.

Im Gegensatz dazu ist die galaktische kosmische Strahlung von gleichmäßigerer Natur. Obwohl die Teilchenflüsse nicht so hoch sind, können sich bei langen Reisezeiten im All die Strahlungsdosen gefährlich aufsummieren. Auch die kosmische Strahlung wird durch die Sonnenaktivität beeinflusst: Sie wird allerdings von ihr abgeschirmt und ist daher im Maximum der Sonnenaktivität am schwächsten – die Intensität der galaktischen Strahlung ist also dann am geringsten, wenn die Intensität der energiereichen solaren Teilchen am höchsten ist und umgekehrt. Wann aber ist eine Reise durchs All am sichersten?

Kugelige Astronauten im Raumschiffmodell

Um den Einfluss der Strahlung auf Raumschiff und Mensch zu untersuchen, haben die Forscher zunächst stark abstrahiert: In ihrem Modell wird das Raumschiff durch eine Kugel mit einem Innendurchmesser von zwei Metern repräsentiert. Als Material für die Hülle wählten die Forscher das gängige Aluminium, die Dicke dieses Schutzmantels wurde variiert. Als Dummy für den menschlichen Körper diente in der Simulation eine Wasserkugel von 35 Zentimetern Durchmesser. Auf dieser Basis haben die Wissenschaftler die Strahlendosis berechnet, die sich im Laufe einer Reise zum Mars unter verschiedenen Bedingungen im Körper akkumuliert. Dabei analysierten sie auch verschiedene Eindringtiefen in den Körper, um die Empfindlichkeit von Haut, blutbildenden und anderen Organen zu differenzieren.

Das wären optimale Bedingungen für einen Flug zum Mars

Die Belastung durch schädliche Strahlung geben Wissenschaftler in Sievert an. Auf der Erde liegt die natürliche Strahlenbelastung in Deutschland bei rund 2 Millisievert pro Jahr. Auf dem Mond ist sie bereits über 200-mal so hoch, im All noch höher. „Bislang gehen die meisten Weltraumorganisationen davon aus, dass die gesamte Strahlungsbelastung für Astronauten im Laufe ihres Lebens den Wert von einem Sievert nicht überschreiten sollte“, sagt Shprits. Die neuen Berechnungen zeigen, dass dieser Wert eingehalten werden kann, wenn das Raumschiff eine optimal dimensionierte Schutzhülle hat, der Flug während des Sonnenmaximums startet, und die gesamte Reisezeit 3,8 Jahre nicht überschreitet.

Das Schutzschild-Paradoxon

Illustration der numerischen Simulationen: 10 Protonen mit einer sehr hohen Energie von 1.000 MeV (l.) und 100 einfallende Protonen mit einer vergleichsweise geringen Energie von 100 MeV (r.) treffen auf ein 10 g/cm2 Aluminium-Schutzschild und einen Astronauten-Dummy. Aufgrund von Streuprozessen im Schutzschild können die wenigen hochenergetischen Partikel im Inneren des Raumschiffs eine wesentlich größere Menge gefährlicher Teilchen erzeugen als sehr viele Primär-Partikel mit geringerer Energie, gegen die der Schutz besser wirkt. (Primär-Protonen: Blau. Streuprozesse: Grün. Entstehende Sekundärteilchen: Neutronen in Rot, Gamma-Strahlung in Gelb, Elektronen in Cyan.)
Illustration der numerischen Simulationen: 10 Protonen mit einer sehr hohen Energie von 1.000 MeV (l.) und 100 einfallende Protonen mit einer vergleichsweise geringen Energie von 100 MeV (r.) treffen auf ein 10 g/cm2 Aluminium-Schutzschild und einen Astronauten-Dummy. Aufgrund von Streuprozessen im Schutzschild können die wenigen hochenergetischen Partikel im Inneren des Raumschiffs eine wesentlich größere Menge gefährlicher Teilchen erzeugen als sehr viele Primär-Partikel mit geringerer Energie, gegen die der Schutz besser wirkt. (Primär-Protonen: Blau. Streuprozesse: Grün. Entstehende Sekundärteilchen: Neutronen in Rot, Gamma-Strahlung in Gelb, Elektronen in Cyan.)
(Bild: Mikhail Dobynde)

Für den Aluminium-Schutzschild erweist sich eine Materialstärke von 30 Gramm pro Quadratzentimeter als optimal.

Bemerkenswert ist, dass das Prinzip „mehr hilft mehr“ den Untersuchungen zufolge hier nicht angewendet werden kann: Wird das Material dicker, so kommt es in ihm vermehrt zu Streuprozessen, bei denen Sekundär-Teilchen entstehen, die die Strahlenbelastung im Inneren wieder erhöhen können (s. Grafik links). Auch bei dünnerem Material wäre die kritische Strahlendosis bereits bei kürzeren Flugzeiten erreicht.

Ausblick auf neue Materialien und künftige Missionen

Sollte es neue Erkenntnisse zur biologischen Wirksamkeit von Strahlung und neue Materialentwicklungen geben, lassen sich die vorliegenden Modelle anpassen. „Wir haben uns hier zunächst auf Aluminium als das zurzeit gängige Material für den Strahlenschutzschild konzentriert. Seit längerem werden auch Komposit-Werkstoffe wie Kohlefaser-Verbundwerkstoffe (CFK) diskutiert, die mit leichten Elementen wie Wasserstoff gespickt sind. An diesen Materialien würden wir weniger Streuprozesse beobachten und daher weniger sekundär-induzierte Teilchen“, prognostiziert Shprits. Insgesamt dürfte das aber nur zu einer Verbesserung der Schutzwirkung um rund 20 Prozent führen, schätzt der Weltraumphysiker. Damit wäre dann eine Verlängerung der Reisezeit um ein Jahr möglich.

Zu beachten ist den Forschern zufolge, dass die Auswirkungen der verschiedenen Strahlungsarten auf den menschlichen Körper noch nicht umfassend verstanden sind. Daher könnten sich künftig die Empfehlungen für die maximale Dosis und in Konsequenz dann auch zur maximalen Aufenthaltsdauer im All noch ändern. Vorsicht sei auch geboten hinsichtlich der Variation des Sonnenzyklus. Dessen Auswirkungen sind nicht immer gleich, was bei Planungen für künftige Missionen berücksichtigt werden müsse.

Originalpublikation: M.I. Dobynde, Y.Y. Shprits, A.Yu. Drozdov, J. Hoffman, J. Li: Beating 1 Sievert: Optimal Radiation Shielding of Astronauts on a Mission to Mars, Space Weather, Volume 19, Issue 9, September 2021, DOI: 10.1029/2021SW002749

* Dr. U. Deffke, Helmholtz-Zentrum Potsdam, Deutsches Geoforschungszentrum GFZ, 14473 Potsdam

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