Was ist der beste Strahlenschutz für die Marsoberfläche?

Der Planet Mars ruft nach uns. Das ist zumindest der Eindruck, den man bekommt, wenn man alle geplanten und vorgeschlagenen Missionen zum Roten Planeten im kommenden Jahrzehnt betrachtet. Da so viele Weltraumagenturen derzeit Missionen dorthin entsenden, um ihre Umgebung, Atmosphäre und geologische Geschichte zu charakterisieren, scheint es wahrscheinlich, dass bemannte Missionen gleich um die Ecke sind. Tatsächlich haben sowohl die NASA als auch China deutlich gemacht, dass sie beabsichtigen, bis Anfang der 2030er Jahre Missionen zum Mars zu schicken, die in der Schaffung von Oberflächenlebensräumen gipfeln werden.

Um die Gesundheit und Sicherheit der Astronauten sowohl während des Transits als auch auf der Marsoberfläche zu gewährleisten, untersuchen Wissenschaftler verschiedene Möglichkeiten des Strahlenschutzes. In einer kürzlich durchgeführten Studie untersuchte ein Team des Blue Marble Space Institute of Science (BMSIS), wie verschiedene Materialien zur Herstellung von Strahlenschutzstrukturen verwendet werden könnten. Dazu gehörten Materialien, die von der Erde gebracht wurden, und solche, die direkt aus der Marsumgebung geerntet werden können. Dies steht im Einklang mit dem Prozess der In-situ-Ressourcennutzung (ISRU), bei dem lokale Ressourcen genutzt werden, um die Bedürfnisse der Astronautenbesatzungen und der Mission zu erfüllen.

Die Forschung wurde von Dionysios Gakis, einem Gastwissenschaftler am BMSIS und Physikabsolvent der Universität Patras, Griechenland, geleitet. Zu ihm gesellte sich Dr. Dimitra Atri, Senior Research Investigator am BMISIS, Physikprofessorin am Center for Space Science der New York University Abu Dhabi und akademische Beraterin von Gakis. Das Papier, das ihre Ergebnisse beschreibt („Modellierung der Wirksamkeit von Strahlenschutzmaterialien für den Schutz von Astronauten auf dem Mars“), wird zur Veröffentlichung in Erwägung gezogen Acta Astronautica.

Die Strahlungsumgebung des Mars ist aufgrund ihrer dünnen Atmosphäre und des Fehlens eines planetaren Magnetfelds wesentlich gefährlicher als die der Erde. Auf der Erde sind Menschen in entwickelten Ländern durchschnittlich 0,62 Rad (6,2 mSv) pro Jahr ausgesetzt, während die Marsoberfläche etwa 24,45 Rad (244,5 mSv) pro Jahr erhält – und noch mehr, wenn Sonnenereignisse (auch bekannt als Sonneneruptionen) geschehen.

Wie Dr. Atri Universe Today per E-Mail mitteilte, tritt diese Strahlung in verschiedenen Formen auf: „Die galaktische kosmische Strahlung besteht aus geladenen Teilchen, die eine Milliarde (oder mehr) Mal energiereicher sind als sichtbares Licht. Sie können Abschirmungen durchdringen und irreparable Schäden verursachen des menschlichen Körpers. Außerdem können Sonnenstürme manchmal geladene Teilchen auf sehr hohe Energien beschleunigen (solarenergetische Teilchen), was vergleichbare Schäden verursachen kann. Die Menge der Strahlung, die von kosmischen Strahlen ausgeht, ist sehr vorhersehbar, während Sonnenstürme sehr schwer vorherzusagen sind.“

Für ihre Studie untersuchten Gakis und Dr. Atri die Eigenschaften verschiedener Abschirmmaterialien, die zum Mars transportiert oder vor Ort geerntet werden könnten. Diese bestanden aus Materialien, die in der Luft- und Raumfahrtindustrie üblich sind – wie Aluminium, Polyethylen, Cyclohexan, Polymethylmethacrylat, Mylar und Kevlar – sowie Wasser, Kohlefaser, flüssiger Wasserstoff und Mars-Regolith. Wie Gakis erklärte, bewerteten sie jedes dieser Materialien mit dem numerischen Modell GEANT4 – einer Software-Suite, die den Durchgang von Partikeln durch Materie mit statistischen Monte-Carlo-Methoden simuliert.

„Wir haben ein Computermodell des Mars gebaut und die kosmische Energiedeposition in einem hypothetischen menschlichen Phantom gemessen, das einen Astronauten darstellt“, sagte er. „Ein Schild aus Material wurde so eingestellt, dass es einen Teil der Strahlung absorbiert, bevor es den Astronauten erreicht.

Ihre Ergebnisse zeigten, dass wasserstoffreiche Materialien (dh Wassereis) eine vorhersagbare Reaktion auf GCRs haben und daher die beste Verteidigung gegen kosmische Strahlung sind. Sie fanden außerdem heraus, dass Regolith ein mittleres Ansprechverhalten hat und daher für eine zusätzliche Abschirmung verwendet werden könnte – insbesondere in Kombination mit Aluminium.

Gakis sagte: „Obwohl sich zum Beispiel Aluminium als nicht so effektiv wie andere Materialien erwiesen hat, kann es dennoch hilfreich sein, um die Strahlendosis zu reduzieren, und wir befürworten die Kombination mit anderen Materialien. Regolith vom Mars hat ein ähnliches Verhalten und den Vorteil, ein In-situ-Material, sodass wir es nicht von der Erde tragen müssen.“

Die NASA und andere Raumfahrtagenturen bewerten mehrere Designs, Materialien und Technologien, die die Schaffung von Lebensräumen auf dem Mond, dem Mars und darüber hinaus ermöglichen. Insbesondere planen die NASA und die chinesische National Space Agency (CNSA) im nächsten Jahrzehnt bemannte Missionen zum Mars, die alle 26 Monate (ab 2033) starten und in der Schaffung von Lebensräumen auf der Oberfläche gipfeln werden. Laut der Analyse von Gakis und Dr. Atri werden diese Lebensräume wahrscheinlich aus einer inneren Struktur bestehen, die aus leichten Materialien besteht, die kostengünstig von der Erde transportiert werden.

Im Falle von Aluminium und Kohlefaser könnten sie vor Ort hergestellt werden, indem Aluminium aus Marsgestein und Kohlenstoff aus seiner Atmosphäre gewonnen wird. Diese könnten dann mit lokal geerntetem Wassereis und Regolith abgeschirmt werden, die Roboter in 3D drucken, um eine schützende Überstruktur zu schaffen. Solche Lebensräume werden langfristige Missionen weit über die Erde hinaus ermöglichen und könnten sogar ein Sprungbrett für dauerhafte menschliche Siedlungen im Weltraum sein.

„Strahlung ist eines der vielen Probleme, mit denen sich die Menschheit befassen muss, um die Menschheit erfolgreich zu verwirklichen [exploration of] des Roten Planeten“, fasste Gakis zusammen. „Wir glauben, dass unsere Forschung ein weiterer Schritt ist, um die verheerenden Auswirkungen kosmischer Strahlung auf die Marsumgebung zu verstehen und wirksame Minderungsstrategien für zukünftige bemannte Missionen zum Mars zu planen.“