Die Raumsonde Orion auf der Mission Artemis I trägt als Teil des MARE-Experiments zwei menschliche „Phantome“, die mit zahlreichen Detektoren für kosmische Strahlung ausgestattet sind. Die von den Detektoren gesammelten Informationen werden erstmals das für die Anwesenheit von Menschen im Weltraum entscheidende Wissen über die Auswirkungen der kosmischen Strahlung auf die Gesundheit der Astronauten bestätigen, die in einer Umgebung ohne Schutzmaßnahmen leben und arbeiten sollen Auswirkungen der Magnetosphäre unseres Planeten.
Von den zahlreichen Gefahren, die auf Astronauten bei Langstreckenreisen im Weltraum lauern, gehört die Exposition gegenüber schädlichen Dosen kosmischer Strahlung zu den schwerwiegendsten und gleichzeitig am schwierigsten zu beseitigenden. Die während des MARE-Experiments (MATROSHKA AstroRad Radiation Experiment) gesammelten Daten werden dazu beitragen, die Sicherheit zukünftiger Weltraumpioniere zu gewährleisten.
Als Teil davon wurden zwei menschliche Phantome (im Wesentlichen High-Tech-Crashtest-Dummys), die mit zahlreichen Detektoren für kosmische Strahlung ausgestattet waren, für die Mission Artemis I an Bord der Raumsonde Orion gebracht. Auf Einladung des Deutschen Raumfahrtzentrums (DLR) in Köln beteiligt sich der Koordinator des MARE-Projekts, das Institut für Kernphysik der Polnischen Akademie der Wissenschaften (IFJ PAN) in Krakau an dem Experiment.
„MARE ist eine Fortsetzung einer Reihe von Experimenten, die zwischen 2004 und 2009 auf der Internationalen Raumstation im Rahmen des MATROSHKA-Projekts durchgeführt wurden, an dem wir auch beteiligt waren. Damals wurden Strahlendosisdaten zwangsläufig im erdnahen Orbit erhoben. Dank der NASA-Mission Artemis I haben mit Strahlungsdetektoren vollgestopfte menschliche Phantome erstmals den Schutzbereich nicht nur der Erdatmosphäre, sondern auch der Magnetosphäre überschritten“, sagt Prof. Pawel Bilski (IFJ PAN).
Die kosmische Strahlung, der Astronauten in großen Entfernungen von der Erde ausgesetzt sein müssen, ist von äußerst komplexer Natur. Seine galaktische Komponente stammt aus dem Weltraum und enthält alle möglichen natürlich vorkommenden Teilchen und Atomkerne mit einem sehr breiten Energiebereich, der oft weit über den unter irdischen Bedingungen anzutreffenden Werten liegt.
Eine weitere Quelle hochenergetischer Teilchen, dieses Mal in unserem Planetensystem, sind Eruptionen auf der Sonne, die selten auftreten, aber ernsthafte Risiken für die Gesundheit und sogar das Leben von Astronauten mit sich bringen. Darüber hinaus sammeln sich in zwei ringförmigen Bereichen der Magnetosphäre, den sogenannten Van-Allen-Gürteln, kontinuierlich Sonnenwindpartikel um die Erde. Obwohl diese Gürtel nur wenige tausend Kilometer hoch liegen, müssen sie bei jeder bemannten Langstreckenexpedition zweimal durchquert werden.
Das Hauptziel der NASA während der Artemis-I-Mission war es, das bemannte Orion-Raumschiff in einem unbemannten Mondumrundungsflug zu testen. Der Passagiermangel sollte genutzt werden, um aktuelle Erkenntnisse über die Auswirkungen der Höhenstrahlung auf den menschlichen Körper zu verifizieren. Als Ergebnis wurden zwei weibliche Phantome namens HELGA und ZOHAR mit einem Gewicht von jeweils 39 kg in Orion platziert. Das ZOHAR-Phantom war mit einer AstroRad-Schutzweste bekleidet, die von der israelischen Firma StemRad hergestellt wird.
Um Informationen über die von verschiedenen Teilen des menschlichen Körpers absorbierten Dosen kosmischer Strahlung zu erhalten, wurden alle drei Zentimeter Sätze kleiner, passiver Lithiumfluorid-Strahlungsdetektoren über die Phantome hinweg platziert. Darüber hinaus wurden an wichtigen Organstellen Detektoren für aktives Silizium installiert. Insgesamt wurden in beiden Phantomen mehr als zehntausend passive Detektoren und 34 aktive Detektoren installiert.
„Der Beitrag unseres Instituts zum MARE-Experiment besteht hauptsächlich aus 276 passiven Thermolumineszenz-Detektoren im ZOHAR-Phantom und weiteren 288 Detektoren in 12 Messpaketen auf der Oberfläche beider Phantome. Diese Detektoren haben die Form dünner weißer Kügelchen mit einem Durchmesser von wenigen Millimetern.“ sagt Prof. Bilski.
Das Hauptmaterial, das für die Herstellung der Detektoren von IFJ PAN verwendet wird, ist Lithiumfluorid, das mit sorgfältig ausgewählten Beimischungen angereichert ist. Diese bewirken, dass im Material zusätzliche metastabile Energieniveaus auftreten. Wenn Teilchen der kosmischen Strahlung durch so zusammengesetztes Material hindurchtreten, kommt es zu einer Ionisation von Atomen. Einige der herausgeschlagenen Elektronen landen dann in den metastabilen Ebenen, wo sie wie in einer Falle monatelang bleiben können. Von entscheidender Bedeutung ist, dass je mehr Teilchen der kosmischen Strahlung den Detektor passieren, desto mehr Elektronen werden eingefangen.
Die vom Lithiumfluorid-Detektor aufgezeichnete Strahlendosis kann dank des Phänomens der Thermolumineszenz abgelesen werden. Im Labor werden einzelne Detektoren nach und nach auf Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius aufgeheizt. Die zugeführte Energie bewirkt, dass Elektronen beginnen, aus aufeinanderfolgenden metastabilen Energiefallen zu springen. Einige von ihnen rekombinieren schnell, begleitet von der Emission von Photonen. Das Ergebnis ist ein Leuchten, das von Physikern als Thermolumineszenz bezeichnet wird.
„Unsere Lithiumfluorid-Detektoren arbeiten so, dass die Lichtmenge, die beim Erhitzen emittiert wird, proportional zur Dosis ist, die von Teilchen der kosmischen Strahlung, die mit dem Material interagiert haben, deponiert wird. Das Auslesen der Daten ist daher zuverlässig und relativ einfach, wenn auch nicht trivial, denn unterschiedliche Fallen im Material haben unterschiedliche Eigenschaften und leeren sich bei unterschiedlichen Temperaturen“, erklärt Prof. Bilski.
Messungen innerhalb des MARE-Experiments sollen in erster Linie vorhandenes Wissen über die Auswirkungen der Höhenstrahlung auf den menschlichen Körper verifizieren. Priorität hat, das Risiko für Astronauten auf ein Minimum zu reduzieren, aber die Forschung hat auch eine rein praktische Dimension. Denn es geht darum sicherzustellen, dass allzu restriktive Sicherheitsstandards die menschlichen Aktivitäten im Weltraum nicht einschränken.
Wenn die Rückkehr der Orion-Raumsonde der Artemis-I-Mission erfolgreich ist, werden die Detektoren der ZOHAR- und HELGA-Phantome bald zur Datenauslesung zum IFJ PAN zurückkehren. Vorläufige Ergebnisse zu den dabei gemessenen kosmischen Strahlungsdosen wird das internationale MARE-Experimentteam in den ersten Monaten des nächsten Jahres präsentieren.
Bereitgestellt vom Institut für Kernphysik PAN