Fantomy wracają zza Księżyca z cennymi danymi o dawkach promieniowania kosmicznego

EurekAlert!: [https://www.eurekalert.org/news-releases/973834]

8 grudnia 2022

Fantomy ZOHAR (w pancerzu ochronnym) i HELGA w kapsule statku Orion. (Źródło: NASA / Frank Michaux)

Wraz ze statkiem Orion misji Artemis I na Ziemi wylądują dwa ludzkie fantomy, w ramach eksperymentu MARE wyposażone w liczne detektory promieniowania kosmicznego. Informacje zgromadzone przez detektory po raz pierwszy pozwolą zweryfikować kluczową dla ludzkiej obecności w dalekim kosmosie wiedzę o wpływie promieniowania kosmicznego na zdrowie astronautów mających żyć i pracować w środowisku pozbawionym ochronnego działania magnetosfery naszej planety.

Spośród licznych zagrożeń, czyhających na astronautów podejmujących dalekie podróże kosmiczne, do najpoważniejszych i jednocześnie najtrudniejszych do wyeliminowania należy ekspozycja na szkodliwe dawki promieniowania kosmicznego. W zapewnieniu bezpieczeństwa przyszłym pionierom odległego kosmosu pomogą dane zebrane podczas eksperymentu MARE (MATROSHKA AstroRad Radiation Experiment). W jego ramach wewnątrz statku Orion misji Artemis I umieszczono dwa ludzkie fantomy wyposażone w liczne detektory promieniowania kosmicznego. Na zaproszenie Niemieckiego Centrum Kosmicznego (DLR) w Kolonii, koordynatora projektu MARE, w eksperymencie uczestniczy Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie.

„MARE to kontynuacja serii doświadczeń zrealizowanych na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej w latach 2004-2009 w ramach projektu MATROSHKA, w którym także uczestniczyliśmy. Wtedy dane dotyczące dawek promieniowania z konieczności zbierano na niskiej orbicie wokółziemskiej. Teraz, dzięki amerykańskiej misji Artemis I, nafaszerowane detektorami promieniowania ludzkie fantomy po raz pierwszy trafiły poza ochronny zasięg nie tylko ziemskiej atmosfery, ale i magnetosfery”, mówi prof. dr hab. Paweł Bilski (IFJ PAN).

Promieniowanie kosmiczne, na które zostaną wystawieni astronauci przebywający w dużych odległościach od Ziemi, ma wyjątkowo skomplikowany charakter. Jego składowa galaktyczna pochodzi z odległego kosmosu i zawiera wszystkie rodzaje naturalnie występujących cząstek i jąder atomowych, o bardzo szerokim zakresie energii, nierzadko daleko wykraczających poza wartości spotykane w warunkach ziemskich. Innym źródłem wysokoenergetycznych cząstek, już w obrębie naszego układu planetarnego, są wybuchy na Słońcu, sporadyczne, lecz wiążące się z poważnym zagrożeniem dla zdrowia, a nawet życia astronautów. Ponadto cząstki wiatru słonecznego cały czas kumulują się wokół Ziemi w obrębie dwóch toroidalnych obszarów magnetosfery nazywanych pasami Van Allena. Pasy te znajdują się co prawda na wysokościach rzędu zaledwie kilku-kilkunastu tysięcy kilometrów, trzeba je jednak przebyć dwukrotnie podczas każdej dalszej wyprawy załogowej.

Głównym celem NASA podczas misji Artemis I było przetestowanie statku załogowego Orion w locie wokółksiężycowym bez załogi. Brak pasażerów postanowiono wykorzystać do zweryfikowania współczesnej wiedzy o wpływie promieniowania kosmicznego na ludzkie ciało. W rezultacie wewnątrz Oriona zostały umieszczone dwa żeńskie fantomy o nazwach HELGA i ZOHAR, każdy o wadze 39 kg. Na fantom ZOHAR założono pancerz ochronny AstroRad, wyprodukowany przez izraelską firmę StemRad.

Aby zdobyć informację o dawkach promieniowania kosmicznego pochłanianych przez poszczególne części ludzkiego ciała, w całej objętości fantomów co trzy centymetry rozmieszczono od czterech do sześciu niewielkich, pasywnych detektorów promieniowania z fluorku litu. Dodatkowo w miejscach najważniejszych organów zostały zainstalowane aktywne detektory krzemowe. Łącznie w obu fantomach zamontowano ponad dziesięć tysięcy detektorów pasywnych i 34 aktywne.

„Wkład naszego instytutu w eksperyment MARE to przede wszystkim 276 pasywnych detektorów termoluminescencyjnych w fantomie ZOHAR oraz dalszych 288 detektorów w 12 pakietach pomiarowych na powierzchni obu fantomów. Detektory te mają postać cienkich, białych pastylek o średnicy kilku milimetrów”, mówi prof. Bilski.

Głównym materiałem używanym do produkcji detektorów z IFJ PAN jest fluorek litu wzbogacony o starannie dobrane domieszki. Powodują one, że w materiale pojawiają się dodatkowe, metastabilne poziomy energetyczne. Gdy cząstki promieniowania kosmicznego przelatują przez tak skomponowany materiał, dochodzi do jonizacji atomów. Niektóre z wybitych elektronów trafiają wówczas na poziomy metastabilne, gdzie niczym w pułapce mogą przebywać przez wiele miesięcy. Kluczowe znaczenie ma fakt, że im więcej cząstek promieniowania kosmicznego przeleci przez detektor, tym większa liczba elektronów zostanie uwięziona w pułapkach.

Odczyt dawki promieniowania zarejestrowanej przez detektor z fluorku litu jest możliwy dzięki zjawisku termoluminescencji. W laboratorium poszczególne detektory stopniowo podgrzewa się do temperatury kilkuset stopni Celsjusza. Dostarczona energia powoduje, że elektrony zaczynają wyskakiwać z kolejnych metastabilnych pułapek energetycznych. Część z nich szybko rekombinuje, czemu towarzyszy emisja fotonów. W rezultacie pojawia się świecenie, przez fizyków nazywane termoluminescencją.

„Nasze detektory z fluorku litu działają w ten sposób, że ilość światła emitowanego przy ich podgrzewaniu jest proporcjonalna do dawki zdeponowanej przez cząstki promieniowania kosmicznego, które weszły w oddziaływanie z materiałem. Odczyt informacji jest więc wiarygodny i stosunkowo prosty, aczkolwiek nietrywialny. Różne pułapki w materiale mają bowiem różne właściwości i opróżniają się w różnych temperaturach”, wyjaśnia prof. Bilski.

Pomiary w ramach eksperymentu MARE mają przede wszystkim zweryfikować dotychczasową wiedzę o wpływie promieniowania kosmicznego na organizm człowieka. Priorytetem jest redukcja do minimum zagrożeń dla astronautów, ale badania mają także wymiar czysto praktyczny. Chodzi bowiem o to, aby nadmiernie restrykcyjne normy bezpieczeństwa nie ograniczały ludzkiej aktywności w dalekim kosmosie.

Jeśli powrót statku Orion misji Artemis I zakończy się sukcesem, detektory z fantomów ZOHAR i HELGA wkrótce wrócą do IFJ PAN w celu odczytania danych. Wstępne wyniki dotyczące zarejestrowanych przez nie dawek promieniowania kosmicznego zostaną przedstawione przez międzynarodowy zespół eksperymentu MARE w pierwszych miesiącach przyszłego roku.

[PDF]

Kontakt:

prof. dr hab. Paweł Bilski
Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk
tel.: +48 12 662 8414
email: pawel.bilski@ifj.edu.pl

Materiały graficzne:

Fantomy ZOHAR (w pancerzu ochronnym) i HELGA w kapsule statku Orion. (Źródło: NASA / Frank Michaux)

Montaż pasywnych detektorów termoluminescencyjnych w fantomie. (Źródło: DLR)

Misję Artemis I wykorzystano do zebrania danych o wpływie promieniowania kosmicznego na ludzki organizm znajdujący się poza ochronnym działaniem ziemskiej magnetosfery. (Źródło: NASA)