Welche Teile des Mars sind am sichersten vor kosmischer Strahlung?

Im kommenden Jahrzehnt planen die NASA und China, die ersten bemannten Missionen zum Mars zu schicken. Dies wird darin bestehen, dass beide Agenturen Raumfahrzeuge in den Jahren 2033, 2035, 2037 und danach alle 26 Monate entsenden, um mit der Mars-Opposition zusammenzufallen (dh wenn Erde und Mars in ihren Umlaufbahnen am nächsten sind). Das langfristige Ziel dieser Programme ist es, eine Basis auf dem Mars zu errichten, die als Knotenpunkt für zukünftige Missionen dienen wird, obwohl die Chinesen erklärt haben, dass sie beabsichtigen, ihre Basis dauerhaft zu halten.

Die Aussicht, Astronauten auf die sechs- bis neunmonatige Reise zum Mars zu schicken, bringt mehrere Herausforderungen mit sich, ganz zu schweigen von den Gefahren, denen sie bei der Durchführung wissenschaftlicher Operationen auf der Oberfläche ausgesetzt sind. In einer kürzlich durchgeführten Studie führte ein internationales Team von Wissenschaftlern eine Untersuchung der Umgebung des Mars durch – von den Gipfeln des Olymps bis zu seinen unterirdischen Vertiefungen –, um herauszufinden, wo die Strahlung am niedrigsten ist. Ihre Ergebnisse könnten zukünftige Missionen zum Mars und die Schaffung von Lebensräumen auf dem Mars beeinflussen.

Das Team wurde von Jian Zhang, einem Assistenzprofessor der School of Earth and Space Sciences (ESS) an der University of Science and Technology of China, geleitet. Zu ihm gesellten sich Kollegen der ESS und des CAS Center for Excellence in Comparative Planetology in China, des Institute of Experimental and Applied Physics (IEAP) in Kiel, Deutschland, und des Institute of BioMedical Problems and the Russian Academy of Science (RAS). Skobeltsyn-Institut für Kernphysik (SINP) in Moskau. Das Papier, das ihre Ergebnisse beschreibt, erschien kürzlich in der Zeitschrift für geophysikalische Forschung: Planeten.

Bei Missionen zum Mars und anderen Orten jenseits der niedrigen Erdumlaufbahn (LEO) ist Strahlung immer ein Thema. Im Vergleich zur Erde hat der Mars eine schwache Atmosphäre (weniger als 1 % des Luftdrucks) und es gibt keine schützende Magnetosphäre, um die Oberfläche vor Sonnen- und kosmischer Strahlung abzuschirmen. Infolgedessen vermuten Wissenschaftler, dass sich schädliche Partikel, insbesondere galaktische kosmische Strahlung (GCRs), ausbreiten und direkt mit der Atmosphäre interagieren und sogar den Untergrund des Mars erreichen könnten.

Die Höhe der Strahlenbelastung hängt jedoch von der Dicke der Atmosphäre ab, die sich je nach Höhe ändert. In tief liegenden Gebieten wie dem berühmten Schluchtensystem des Mars (Valles Marineris) und seinem größten Krater (Hellas Planitia) wird der atmosphärische Druck auf über 1,2 bzw. 1,24 kPa geschätzt. Dies ist etwa das Doppelte des Durchschnitts von 0,636 kPa und bis zum 10-fachen des atmosphärischen Drucks an hochgelegenen Orten wie dem Olympus Mons (dem größten Berg im Sonnensystem).

Dr. Jingnan Guo, angesehener Professor am IEAP der Christian-Albrechts-Universität und Mitglied der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS), war Prof. Jian Zhangs Ph.D. Betreuer und Co-Autor der Arbeit. Wie sie Universe Today per E-Mail erklärte:

„Unterschiedliche Höhenlagen bedeuten unterschiedliche atmosphärische Dicken. Höher gelegene Orte haben im Allgemeinen eine dünnere Atmosphäre. Hochenergetische Partikelstrahlung muss die Atmosphäre durchqueren, um die Marsoberfläche zu erreichen. Wenn sich die atmosphärische Dicke ändert, kann sich auch die Oberflächenstrahlung ändern. Somit könnte die Höhenlage die Oberflächenstrahlung des Mars beeinflussen.“

Zu diesem Zweck betrachtete das Team den Einfluss atmosphärischer Tiefen auf die Marsstrahlung. Dazu gehörte die in Rad gemessene Energiedosis; die Äquivalentdosis, gemessen in Rems und Sievert (Sv); und die durch GCRs induzierten effektiven Körperdosisraten. Dieses bestand aus der Modellierung der Strahlungsumgebung unter Verwendung eines hochmodernen Simulators, der auf der vom CERN entwickelten Software GEometry And Tracking (GEANT4) basiert.

Diese als Atmospheric Radiation Interaction Simulator (AtRIS) bekannte Software verwendet Monte-Carlo-Wahrscheinlichkeitsalgorithmen, um Partikelinteraktionen mit der Marsatmosphäre und dem Marsgelände zu simulieren. Wie Dr. Guo illustrierte:

„Wir verwenden einen Monte-Carlo-Ansatz namens ‚GEANT4‘, um den Transport und die Wechselwirkung energetischer Teilchen mit der Marsatmosphäre und Regolith zu modellieren. Die Marsumgebung wird unter Berücksichtigung der atmosphärischen Zusammensetzung und Struktur des Mars sowie der Regolitheigenschaften eingerichtet.

„Die Eingangsteilchenspektren über der Marsatmosphäre werden auch von datenkalibrierten Modellen erhalten, die die allgegenwärtige Teilchenstrahlungsumgebung im interplanetaren Raum beschreiben, die geladene Teilchen verschiedener Arten umfasst, die hauptsächlich Protonen (~ 87%) und Heliumionen sind (12%) und auch geringe Spuren schwererer Ionen wie Kohlenstoff, Sauerstoff und Eisen.“

Sie fanden heraus, dass höhere Oberflächendrücke die Menge an Schwerionenstrahlung (GCRs) effektiv reduzieren können, aber dass noch eine zusätzliche Abschirmung erforderlich ist. Leider kann das Vorhandensein dieser Abschirmung zu „Schauern kosmischer Strahlung“ führen, bei denen der Aufprall von GCRs gegen die Abschirmung Sekundärpartikel erzeugt, die das Innere eines Lebensraums mit unterschiedlichen Mengen an Neutronenstrahlung (auch bekannt als Neutronenfluss) überfluten können. Diese können erheblich zur effektiven Strahlungsdosis beitragen, die Astronauten absorbieren.

Sie stellten fest, dass sowohl der Neutronenfluss als auch die effektive Dosis ihren Höhepunkt bei etwa 30 cm (1 Fuß) unter der Oberfläche haben. Glücklicherweise bieten diese Ergebnisse Lösungen für die Verwendung von Regolith vom Mars zur Abschirmung. Sagte Dr. Guo:

„Für einen bestimmten Schwellenwert der jährlichen biologisch gewichteten effektiven Strahlungsdosis, z. B. 100 mSv (eine Größe, die oft als Schwellenwert angesehen wird, unterhalb dessen das strahleninduzierte Krebsrisiko vernachlässigbar ist), liegt die erforderliche Regolithtiefe im Bereich zwischen etwa 1 m und 1,6 m . Innerhalb dieses Bereichs, an einem tiefen Krater, wo der Oberflächendruck höher ist, ist die benötigte zusätzliche Regolith-Abschirmung etwas geringer. Während auf dem Olympus die benötigte zusätzliche Regolith-Abschirmung höher ist.“

Basierend auf ihren Ergebnissen würden die besten Standorte für zukünftige Lebensräume auf dem Mars in tief liegenden Gebieten und in Tiefen von 1 m und 1,6 m (3,28 bis 5,25 ft) unter der Oberfläche liegen. Daher wären das nördliche Tiefland, das den größten Teil der nördlichen Hemisphäre ausmacht (alias Vastitas Borealis), und Valles Marineris sehr geeignete Standorte. Diese Regionen haben nicht nur einen dickeren atmosphärischen Druck, sondern auch reichlich Wassereis direkt unter der Oberfläche.

Wenn alles nach Plan läuft, werden Astronauten in etwas mehr als einem Jahrzehnt die Marsoberfläche betreten. Dies wird aus sechs bis neun Monaten dauernden Transits (vorbehaltlich der Entwicklung fortschrittlicherer Antriebstechnologien) und Oberflächenoperationen von bis zu 18 Monaten bestehen. Kurz gesagt, Astronauten müssen sich bis zu drei Jahre lang mit der Bedrohung durch erhöhte Strahlung auseinandersetzen. Daher müssen im Voraus detaillierte Minderungsstrategien entwickelt werden.

Die NASA und andere Weltraumbehörden haben viel Zeit, Energie und Ressourcen investiert, um Lebensraumdesigns zu entwickeln, die 3D-Druck, In-Situ-Ressourcennutzung (ISRU) und sogar elektromagnetische Abschirmung nutzen, um die Gesundheit und Sicherheit der Astronauten zu gewährleisten. Es gibt jedoch noch unbeantwortete Fragen darüber, wie effektiv diese Strategien in der Praxis sein werden, insbesondere wenn man bedenkt, wie viel Zeit die Besatzungen auf der Marsoberfläche verbringen werden.

„Unsere Studie kann dazu dienen, Strahlungsrisiken bei der Gestaltung zukünftiger Lebensräume auf dem Mars zu mindern, indem natürliches Oberflächenmaterial als Schutz verwendet wird“, sagte Dr. Guo. „Forschungen wie diese werden daher von erheblichem Wert sein, wenn Missionsplaner damit beginnen, Entwürfe für zukünftige Lebensräume auf dem Mars in Betracht zu ziehen, die auf natürliches Oberflächenmaterial angewiesen sind, um Strahlenschutz zu bieten.“