Das Strahlungsniveau auf dem Mars im Röntgen. Probleme, mit denen Mars-Kolonisierer konfrontiert sein werden

ESA/ATG-Medienlabor

Mithilfe von Instrumenten an Bord des Trace Gas Orbiter (TGO) der ExoMars-Mission konnten Wissenschaftler feststellen, dass Astronauten nur eine einzige Reise zum Mars ohne erhebliche Gesundheitsrisiken durchführen könnten. Laut einem in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel besteht die Hauptgefahr in der hohen Strahlungsintensität, die mit der galaktischen kosmischen Strahlung einhergeht Ikarus .

Hohe Strahlungswerte gelten als eines der Haupthindernisse für bemannte Expeditionen zum Mars. Insbesondere die Daten des RAD-Instruments an Bord des Rovers Curiosity, die während des Fluges zum Roten Planeten gesammelt wurden, zeigten, dass eine Person während der Reise eine Strahlendosis erhalten kann, die mit der maximal zulässigen Strahlendosis vergleichbar ist – etwa 0,66 Sievert, wovon 95 Prozent ausfallen aus galaktischer kosmischer Strahlung und nur 5 Prozent aus Sonnenstrahlung. Ähnliche Ergebnisse wurden 2014 bei Beobachtungen im Mondorbit mit dem an Bord der LRO-Sonde installierten Detektor für kosmische Strahlung CRaTER erzielt. Wie seine Messungen zeigten, steigt das Krebsrisiko bei Astronauten nach einem 500-tägigen Flug zum Mars um 4-5 Prozent.

Igor Mitrofanov und seine Kollegen vom Weltraumforschungsinstitut der Russischen Akademie der Wissenschaften, dem Institut für biomedizinische Probleme der Russischen Akademie der Wissenschaften und dem Institut für Weltraumforschung und -technologie der Bulgarischen Akademie der Wissenschaften kamen durch die Analyse der gesammelten Daten zu ähnlichen Schlussfolgerungen durch das an Bord der russisch-europäischen Sonde TGO installierte Lyulin-MO-Dosimetriemodul, Oktober 2016. Das Modul ist Teil des russischen FREND-Neutronendetektors und war wie der RAD-Sensor an Bord von Curiosity die meiste Zeit, die die Sonde auf ihrem Flug zum vierten Planeten des Sonnensystems verbrachte, eingeschaltet.

„Während der sechsmonatigen Mission zum Mars und der Rückkehr zur Erde wird die Raumsondenbesatzung etwa 60 Prozent der maximalen Strahlendosis abbekommen, die während der gesamten Karriere eines Astronauten oder einer Astronautin zu erwarten wäre, wenn der Flug in einer Zeit reduzierter Strahlung stattfinden würde.“ Sonnenaktivität“, heißt es in dem Artikel.

FREND-Gerät mit dosimetrischem Modul Lyulin-MO

Die gesammelten Daten zeigten, dass die Strahlungswerte im Weltraum etwa 20 Prozent höher waren als während des Fluges von Curiosity. Wissenschaftler führen diese Diskrepanz auf die Tatsache zurück, dass die Sonnenaktivität in diesem Zeitraum minimal war, was die Häufigkeit des „Beschusses“ der Sonde und aller Planeten mit kosmischer Strahlung aus dem interstellaren Medium erhöhte. Ähnliches wurde von der LRO-Sonde während der letzten beiden Sonnenminima aufgezeichnet.

Im Durchschnitt wird ein Astronaut, der etwa ein Jahr lang zum Mars reist, etwa 0,7 Sievert ionisierender Strahlung (etwa 73 Röntgen) ausgesetzt. Astronauten an Bord der ISS erhalten etwa 0,3 Sievert pro Jahr, während auf der Erde die jährliche Dosis, die ein Mensch erhält, etwa 2,4 Millisievert beträgt. Wie Berechnungen von Wissenschaftlern zeigen, „verschlingt“ eine Reise zum Mars auf dem schnellsten Weg etwas mehr als die Hälfte der maximal zulässigen Gesamtstrahlendosis für Astronauten während ihrer gesamten Karriere.

Interessanterweise war das Strahlungsniveau in der Umlaufbahn des Mars sogar noch höher und das Strahlungsniveau hing stark davon ab, ob der Planet ExoMars vor dem Sonnenwind schützte.

Messungen auf der Oberfläche des Planeten wurden von europäischen und russischen Wissenschaftlern noch nicht durchgeführt – Mitrofanov und seine Kollegen planen, sie mit dem Dosimeter Lyulin-ML durchzuführen, das auf der Landeplattform des europäischen Rovers Pasteur installiert wird. jetzt bei NPO Lavochkin.

Sergej Kusnezow

Nach Angaben des Rovers Curiosity sind die Strahlungswerte auf dem Mars fast gleich hoch wie im niedrigen Erdorbit, wo sich die Internationale Raumstation befindet. Dies macht den Besuch des Roten Planeten jedoch nicht sicher, da der Flug ziemlich lange dauern wird.

Im Vergleich zur Erde fehlt dem Mars eine Magnetosphäre, die den Planeten vor galaktischer und Sonnenstrahlung schützt. Allerdings herrscht eine dünne Atmosphäre, die ein wenig Schutz bietet. Laut einem der Curiosity-Betreiber war diese Entdeckung die erste Messung der Strahlungssituation auf einem anderen Planeten als der Erde. Astronauten werden in einer solchen Umgebung leben können.

Die Wetterstation des Rovers erhielt Daten zur sogenannten Hitzeflut. Die Atmosphäre beginnt sich durch die Sonne zu erwärmen, wodurch sich der Druck ausdehnt und verringert. Und auf der anderen Seite ist es zu dieser Zeit kalt, dort beginnt die Atmosphäre abzusinken und sich zu verdichten.

Aufgrund der Rotation des Mars bewegt sich die Ausbuchtung mit erwärmter Luft zusammen mit der hellen Seite von Ost nach West. Curiosity verzeichnete einen ähnlichen Effekt, indem es Veränderungen des Luftdrucks im Laufe des Tages überwachte. Es gab auch tägliche Einbrüche im Niveau geladener Teilchen, die mit einem Druckanstieg einhergingen. Es stellt sich heraus, dass die Marsatmosphäre immer noch Schutz bietet.

Derzeit können Wissenschaftler die tägliche Strahlungsdosis auf dem Roten Planeten nicht abschätzen. Es ist jedoch klar, dass es etwas niedriger sein wird als der Wert, der von der Raumsonde gemessen wurde, die Curiosity transportierte. Genau das wird zum Hauptproblem: Während der drei Flugjahre werden die Astronauten siebenmal mehr verstrahlt als zur gleichen Zeit auf der ISS.

Kumulative Strahlung erhöht das Risiko für verschiedene Krebsarten, weshalb die Raumfahrtbehörden die Aufenthaltsdauer im Weltraum begrenzen. Um die Astronauten während des Fluges zum Roten Planeten angemessen zu schützen, ist es notwendig, den genauen Wert der Marsdosis zu ermitteln.

Darüber hinaus kommt es auch zu Sonneneruptionen, und Curiosity muss herausfinden, wie geschützt der Mars vor ihnen ist.

Die beste Option ist natürlich eine unterirdische Basis oder Kolonie, in der nur Roboter an die Oberfläche kommen. Dennoch lohnt es sich, über Möglichkeiten nachzudenken, die es dem Astronauten ermöglichen, die Oberfläche zu erreichen.

Curiosity hat ein RAD-Instrument an Bord, um die Intensität der Strahlenbelastung zu messen. Während seines Fluges zum Mars maß Curiosity die Hintergrundstrahlung, und heute sprachen Wissenschaftler der NASA über diese Ergebnisse. Da der Rover in einer Kapsel flog und sich der Strahlungssensor darin befand, entsprechen diese Messungen praktisch dem Strahlungshintergrund, der in einem bemannten Raumschiff vorhanden sein wird.

Das Ergebnis ist nicht inspirierend – die Äquivalentdosis der absorbierten Strahlenbelastung ist doppelt so hoch wie die Dosis der ISS. Und um vier – derjenige, der für ein Kernkraftwerk als maximal zulässig gilt.

Das heißt, ein sechsmonatiger Flug zum Mars entspricht ungefähr einem oder zwei Jahren im erdnahen Orbit. Wenn man bedenkt, dass die Gesamtdauer der Expedition etwa 500 Tage betragen soll, sind die Aussichten nicht optimistisch.
Für den Menschen erhöht eine kumulierte Strahlung von 1 Sievert das Krebsrisiko um 5 %. Die NASA erlaubt ihren Astronauten, im Laufe ihrer Karriere ein Risiko von nicht mehr als 3 % oder 0,6 Sievert anzuhäufen. Berücksichtigt man, dass die tägliche Dosis auf der ISS bis zu 1 mSv beträgt, ist die maximale Verweildauer von Astronauten im Orbit während ihrer gesamten Karriere auf etwa 600 Tage begrenzt.
Auf dem Mars selbst dürfte die Strahlung aufgrund der Atmosphäre und der Staubsuspension darin etwa doppelt so gering sein wie im Weltraum, d. h. entsprechen dem Niveau der ISS, genaue Indikatoren wurden jedoch noch nicht veröffentlicht. Interessant werden die RAD-Indikatoren während der Tage der Staubstürme – wir werden herausfinden, wie gut Marsstaub als Strahlungsschild ist.

Jetzt gehört der Rekord für den Aufenthalt in der erdnahen Umlaufbahn dem 55-jährigen Sergei Krikalev – er hat 803 Tage. Aber er sammelte sie mit Unterbrechungen – insgesamt machte er von 1988 bis 2005 sechs Flüge.

Das RAD-Gerät besteht aus drei Silizium-Festkörperwafern, die als Detektor fungieren. Darüber hinaus verfügt es über einen Cäsiumiodidkristall, der als Szintillator verwendet wird. Das RAD ist so positioniert, dass es bei der Landung dem Zenit zugewandt ist und ein 65-Grad-Feld erfasst.

Tatsächlich handelt es sich um ein Strahlungsteleskop, das ionisierende Strahlung und geladene Teilchen in einem weiten Bereich erkennt.

Strahlung im Weltraum stammt hauptsächlich aus zwei Quellen: von der Sonne, während Flares und koronaren Auswürfen, und von kosmischer Strahlung, die bei Supernova-Explosionen oder anderen hochenergetischen Ereignissen in unserer und anderen Galaxien auftritt.


In der Abbildung: die Wechselwirkung des Sonnenwinds und der Magnetosphäre der Erde.

Bei interplanetaren Reisen macht die kosmische Strahlung den Großteil der Strahlung aus. Sie verursachen einen Strahlungsanteil von 1,8 mSv pro Tag. Nur drei Prozent der von Curiosity gesammelten Strahlung stammen von der Sonne. Dies liegt auch daran, dass der Flug zu einer relativ ruhigen Zeit stattfand. Ausbrüche erhöhen die Gesamtdosis und nähern sich 2 mSv pro Tag.

Spitzenwerte treten bei Sonneneruptionen auf.

Gegenwärtige technische Mittel sind wirksamer gegen die energiearme Sonnenstrahlung. Sie können beispielsweise eine Schutzkapsel ausrüsten, in der sich Astronauten bei Sonneneruptionen verstecken können. Allerdings bieten selbst 30 cm dicke Aluminiumwände keinen Schutz vor interstellarer kosmischer Strahlung. Blei würde wahrscheinlich besser helfen, aber dies würde die Masse des Schiffes erheblich erhöhen, was die Kosten für den Start und die Beschleunigung bedeutet.

Das wirksamste Mittel zur Minimierung der Strahlenbelastung dürften neuartige Triebwerke sein, die die Flugzeit zum Mars und zurück deutlich verkürzen. Die NASA arbeitet derzeit an solarelektrischen Antrieben und nuklearen thermischen Antrieben. Der erste kann theoretisch bis zu 20-mal schneller beschleunigen als moderne Chemiemotoren, die Beschleunigung wird jedoch aufgrund des geringen Schubs sehr lange dauern. Ein Gerät mit einem solchen Motor soll zum Abschleppen eines Asteroiden geschickt werden, den die NASA einfangen und in die Mondumlaufbahn bringen will, wo sie später von Astronauten besucht werden soll.

Die vielversprechendsten und ermutigendsten Entwicklungen im Bereich Elektroantrieb werden im Rahmen des VASIMR-Projekts durchgeführt. Aber um zum Mars zu reisen, reichen Sonnenkollektoren nicht aus – man braucht einen Reaktor.

Eine nukleare Wärmekraftmaschine entwickelt einen etwa dreimal höheren spezifischen Impuls als moderne Raketentypen. Sein Wesen ist einfach: Der Reaktor erhitzt das Arbeitsgas (vermutlich Wasserstoff) auf hohe Temperaturen, ohne dass ein Oxidationsmittel verwendet wird, das für chemische Raketen erforderlich ist. In diesem Fall wird die Erwärmungstemperaturgrenze nur durch das Material bestimmt, aus dem der Motor selbst besteht.

Aber diese Einfachheit bringt auch Schwierigkeiten mit sich – der Schub ist sehr schwer zu kontrollieren. Die NASA versucht, dieses Problem zu lösen, betrachtet die Entwicklung nuklearbetriebener Motoren jedoch nicht als Priorität.

Der Einsatz eines Kernreaktors ist auch insofern vielversprechend, als ein Teil der Energie zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes genutzt werden könnte, das Piloten zusätzlich vor kosmischer Strahlung und vor der Strahlung des eigenen Reaktors schützen würde. Die gleiche Technologie würde die Gewinnung von Wasser aus dem Mond oder Asteroiden rentabel machen, das heißt, sie würde die kommerzielle Nutzung des Weltraums weiter ankurbeln.
Obwohl dies jetzt nicht mehr als eine theoretische Überlegung ist, ist es möglich, dass ein solches Schema zum Schlüssel für eine neue Ebene der Erforschung des Sonnensystems wird.

Curiosity untersuchte das Strahlungsniveau auf der Marsoberfläche und zeigte, dass es in etwa dem Strahlungsniveau in der erdnahen Umlaufbahn entspricht, wo sich der Draht seit langem befindet

Curiosity untersuchte das Strahlungsniveau auf der Marsoberfläche und zeigte, dass es ungefähr dem Strahlungsniveau in einer niedrigen Erdumlaufbahn entspricht, wo sich Menschen über längere Zeiträume aufhalten, beispielsweise auf der Internationalen Raumstation.

Ein Besuch auf dem Mars wird jedoch nicht weniger gefährlich, da der Flug ziemlich lange dauern wird und man noch einige Zeit auf dem Roten Planeten verbringen und zur Erde zurückkehren muss.

Im Gegensatz zu unserem Planeten verfügt der Mars über keine Magnetosphäre oder sie ist so schwach, dass ihr Einfluss auf beliebige Objekte vernachlässigt werden kann. Aber es ist die Magnetosphäre, die die Erde in erster Linie vor einem erheblichen Teil der Strahlung schützt, indem sie hauptsächlich nur neutrale Teilchen (Photonen, Neutrinos und einige andere) durchlässt und den Löwenanteil der geladenen Teilchen zurückhält. Allerdings hat der Mars eine Atmosphäre. Und obwohl es dünn und eher spärlich ist, bietet es dennoch einen gewissen Schutz vor Strahlung.

Don Hassler, einer der Curiosity-Betreiber, sagte, dass dies die erste Messung der Strahlungssituation auf einem anderen Planeten als der Erde in der Geschichte der Menschheit sei. Er fügte hinzu, dass Astronauten in einer solchen Umgebung leben könnten. Es ist ein großes Glück, dass der Mars überhaupt eine solche Atmosphäre hat. Streng genommen gibt es auf dem Mond eine Atmosphäre, die dort jedoch so schwach ist, dass sie vernachlässigt und mit der Gaskomponente des Weltraums gleichgesetzt werden kann. Auf dem Mars sei es nicht zulässig, den Einfluss der Atmosphäre zu ignorieren, betonte Hassler.

Auch die Wetterstation des Mars-Rover verriet viel über die Hitzeflut. Tatsache ist, dass die Sonne die Atmosphäre des Mars auf der der Sonne zugewandten Seite erwärmt. Dadurch sinkt der Druck und es dehnt sich aus. Auf der Rückseite herrscht Kälte und daher verdichtet sich die Atmosphäre dort, wird dünner und sinkt.

Während sich der Mars um seine Achse dreht, bewegt sich der wärmere Luftwulst mit der Sonnenseite von Osten nach Westen. All dies wurde von Curiosity bestätigt, das Änderungen im Druck atmosphärischer Gase im Laufe des Tages maß. Und er zeichnete auch die Konjugation der Schwankungen im Niveau geladener Teilchen auf, die Teil der Sonnen- und galaktischen Winde sind. Der Rückgang der durchdringenden Strahlung fiel mit einem Anstieg des atmosphärischen Drucks zusammen. Das heißt, wenn die Atmosphäre dicker wird, dringen geladene Teilchen in geringerem Maße bis zur Marsoberfläche vor. Die Luft der Marsatmosphäre erfüllt also immer noch in gewissem Maße eine Schutzfunktion.

Wissenschaftler sind derzeit noch nicht bereit, die sogenannte tägliche Strahlendosis von Menschen abzuschätzen, die sich künftig auf dem Mars aufhalten. Aber es ist klar, dass es viel niedriger sein wird als die Strahlung, die derselbe Curiosity während seines interplanetaren Fluges aufgezeichnet hat. Wie Weltraumexperten sagen, liegt hier das Hauptproblem. Denn während einer dreijährigen Reise zum Roten Planeten (hin und zurück) können Astronauten etwa siebenmal mehr Strahlung abbekommen als diejenigen, die im gleichen Zeitraum auf der ISS leben.

Die kumulative Dosis ionisierender Strahlung erhöht das Risiko der Entwicklung bösartiger Tumore und anderer Folgen. Tatsache ist, dass diese Teilchen, die über eine ausreichend starke Energie verfügen und buchstäblich in den menschlichen Körper krachen, in der Lage sind, die Atome unseres Körpers in Ionen umzuwandeln und sie sogar von ihrem „richtigen“ Platz zu vertreiben. Dies ist die gefährliche Wirkung ionisierter Strahlung. Daher legen Raumfahrtbehörden strenge Beschränkungen für die Zeit fest, die sie im Weltraum verbringen. Daher ist es unerlässlich, sowohl die Strahlungswerte im Weltraum als auch die Strahlungswerte auf dem Mars zu kennen.

Curiosity muss noch herausfinden, inwieweit der Mars anfällig für Sonneneruptionen ist, die auch schwerwiegende Auswirkungen auf die Erde haben. Daher gehen NASA-Experten davon aus, dass zunächst unterirdische Kolonien auf dem Mars entstehen und Roboter hauptsächlich an die Oberfläche gehen werden.

Die Wissenschaft

Es ist drei Monate her, seit der Rover Curiosity auf dem Roten Planeten gelandet ist, um festzustellen, ob der Mars Leben beherbergen kann.

Einer der Faktoren, die die Bewohnbarkeit begrenzen und für zukünftige bemannte Missionen wichtig sind, ist das Ausmaß der Strahlung durch kosmische Strahlung und Sonnenpartikel, die auf die Oberfläche des Planeten treffen.

Um das herauszufinden, hat das Strahlungsmessgerät des Rovers, genannt RAD, gesammelte Daten über tägliche Strahlungszyklen, die Curiosity erreichen.

Die Atmosphäre des Mars fungiert als Schutzschild für die Strahlung auf der Planetenoberfläche. Wissenschaftler wissen das, weil die Strahlungswerte um 3 bis 5 Prozent sinken, wenn die Atmosphäre dicker wird.

Das Problem war das Die Atmosphäre des Mars ist 100-mal dünner als die der Erde, was auf ein leichteres Eindringen von Strahlung und eine größere Gefahr für Astronauten hinweist.

Leben auf dem Mars: Strahlungswerte

Werden Astronauten also in der Marsumgebung überleben können?

"Auf jeden Fall werden Astronauten in dieser Umgebung leben können„, kündigte Hauptermittler Dan Hassler an. „Zumindest für einen begrenzten Zeitraum.“

Das Strahlungsniveau auf der Marsoberfläche ist etwa halb so hoch wie das, was Wissenschaftler bei Weltraummissionen beobachten. Das Hauptproblem ist die Anhäufung von Strahlung über einen langen Zeitraum.

Sicher ist jedoch, dass die Mission zum Mars langwierig sein wird – etwa drei Jahre, davon etwa sechs Monate für die Hinreise und weitere sechs Monate für die Rückkehr. Es gibt eine Grenze hinsichtlich der Gesamtstrahlungsdosis, die ein Astronaut ertragen kann.

An einem normalen Tag ist ein Astronaut im Weltraum vor Strahlung geschützt. Strahlenkrankheit tritt nicht sofort auf. Das Szenario könnte sich jedoch ändern, wenn Astronauten auf ein Ereignis stoßen, das große Mengen Strahlung aussendet, beispielsweise einen Sonnensturm. Außerdem, Astronauten werden auf dem Weg zum Planeten einer höheren Strahlung ausgesetzt sein als auf seiner Oberfläche.

Während Wissenschaftler weiterhin Messungen durchführen, muss noch eine Schlussfolgerung über die Höhe der Strahlung gezogen werden.

„Die Frage ist nicht, ob wir zum Mars fliegen. Wichtig ist, wann wir dorthin gehen und wie wir unsere Astronauten am besten schützen“, erklärte Hassler.

Curiosity Rover: Fotos vom Mars

1. Hochauflösendes Bild des Rovers Curiosity, aufgenommen mit seinem Roboterarm.